林西县地势由西北向东南倾斜，西北部最高海拨1865.3米，东南部最低海拨644米，形成了北高、南低的中、低山山区地貌形态，境内石质山区面积1769.9平方公里，占总面积的45%；土质低山区面积约1691.3平方公里，占总面积的43%，河谷平川区面积约471.9平方公里，占总面积的12%。境内北部为大兴安岭山脉，属中山山区；中南部为低山丘陵区；县境内大的川谷有4条、均为平川河谷，其中东西向的有西拉沐沦河川谷，嘎斯汰河川谷和巴尔汰河川谷，北西向又转北南向的有查干沐沦河川谷。县内有北大山、大冷山、轿顶山、天朝山、三楞山、石匠山、边墙梁、巴彦温都尔山、锅撑子山、大影壁山、半拉山等11座主要山峰。
林西地处中温带，属半干旱大陆性季风气候，冬季漫长且寒冷，夏季短暂而温热，昼夜温差较大。全县热量条件自东南向西北随海拔增高而逐减，年平均气温在1－5℃，1月份最冷，月平均气温－14℃，年极端最低气温为－32.2℃（1979年2月1日）。7月最热，月平均气温21℃，年极端最高气温为38.6℃（1955年7月23日）。县内生长期较短且自南向北逐渐减少，年平均生长期90－120天，全县初霜大多年份出现在9月上旬至中旬，终霜日大多出现在5月中旬。县内降水量较少且时空分布不均，年际间变率较大，降水量多集中在夏季，年平均降水量370多毫米，年极端降水量为613毫米（1959年），年最少降水量为175.6毫米（1968年）。地下储水量5.6亿立方米。
林西县境内河流均属西辽河支流西拉沐沦河水系，总流长193公里、总流域面积3784平方公里，年平均总径流量13744万立方米。较大的河流有西拉沐沦河（古称潢水、潢河、饶水）及其一级支流查干沐沦河(又称黒水河），二级支流嘎斯汰河（又称色不敦庙河）和巴尔汰河（又称沙巴汰河）等4条，有自然泡泽9个，水面900亩。
林西县矿产资源储量较大，境内已探明有开采价值的金属、非金属矿藏２３种，有矿床、矿点、矿化点１24处，铜、铅、锌、锡、银、萤石、石灰石、大理石等矿藏较为丰富。
林西县境内野生植物资源富饶。共有73科、252属、385种。知母、甘草、黄芩、防风、柴胡、益母草等药用植物具有较大开发价值。
林西县境内旅游资源丰富。境内群山绵延，川谷纵横，九佛山、三楞子山、大冷山、北大山等自然风光景致优美，气势恢宏。文物古迹遍布全境，县内有国家级文物保护单位2处，市级文物单位9处。
