อำเภอปะเหลียนมีพื้นที่ 973.13 ตารางกิโลเมตร (608,266.25 ไร่) พื้นที่ตอนเหนือและตะวันออกเฉียงเหนือเป็นที่ราบสูงริมทิวเขาบรรทัด ส่วนตอนใต้และตะวันตกเฉียงใต้เป็นที่ราบชายฝั่งทะเล ส่วนตอนกลางเป็นที่ราบ ลักษณะภูมิอากาศเป็นแบบมรสุม มี 2 ฤดู คือ ฤดูฝนและฤดูแล้ง อยู่ในช่วงระยะเวลาตั้งแต่เดือนพฤษภาคม-กุมภาพันธ์ อุณหภูมิเฉลี่ย 27 องศาเซนติเกรด ปริมาณน้ำฝนประมาณ 1,500 มิลลิเมตรต่อปี ฤดูร้อนอยู่ในช่วงระยะเวลาตั้งแต่เดือนกุมภาพันธ์-พฤษภาคม อุณหภูมิเฉลี่ย 32 องศาเซนติเกรด ปริมาณน้ำฝน 500 มิลลิเมตรต่อปี