桐乡市境为长江三角洲平原的一部分，境内地势低平，无一山丘，大致东南高、西北低，略向太湖倾斜，平均海拔5.3米。东西宽约36千米，南北长约34千米，总面积727平方千米。

境内土壤为江、海、湖沼沉积物，分属水稻土和潮土两类，土地肥沃，适宜种植水稻和经济类作物。

境内河流属长江流域太湖运河水系。市境河流南接海宁长安上塘河水系，北经澜溪塘与江苏省河道贯通，京杭大运河流经市境段长44.32千米。全市有骨干河道46条，大部分河道与运河垂直相交，呈网状分布。与运河桐乡段相连的河道主要有金牛塘、白马塘、康泾塘、长安塘、含山塘、灵安港、羔羊港、西圣埭港、长山河等。境内河道总长2060.8千米，水域面积51.9平方千米，占全市总面积的7.1%。属典型的江南水网平原。

桐乡市属典型的亚热带季风气候。温暖湿润，四季分明，雨水丰沛，日照充足。气候具有春湿、夏热、秋燥、冬冷的特点。

年平均气温17.1℃。1月最冷，7月最热，常年平均入春在3月10日，入夏5月20日，入秋9月30日，入冬12月2日。平均初霜日是11月20日，平均终霜日3月15日，年平均无霜期249.1天。

年平均降水量1336毫米。全年主要有三个明显降雨时段：4—5月春雨期，6—7月梅雨期，9月秋雨期。年平均相对湿度77%，幅度在73%—80%之间。

年平均日照1702.7小时。其中7月、8月最多，月平均日照分别为198小时和193.9小时。1月、2月最少，月平均日照分别为104.5小时和106.4小时。

主要灾害性天气有台风、暴雨、大雪、大雾、寒潮、大风、雷电、高温、干旱等。