Pod względem fizyczno-geograficznym obszar powiatu położony jest na terenie Pogórza Karpackiego /w zewnętrznym łuku Karpat/ w większości w obrębie mezoregionu Pogórza Przemyskiego. Od północy niewielka część terenów należy do mezoregionu PogórzaDynowskiego, oraz od wschodu do makroregionu Płaskowyżu Sańsko - Dniestrzańskiego i od południa do prowincji Gór Sanocko - Turczańskich. Większość obszaru powiatu, a zwłaszcza jego południowa i zachodnia część leży na wysokości powyżej 500 m npm. Najwyższe wzniesienia to Suchy Obycz i Poręba Wysoka, położone w Górach Sanocko-Turczańskich - posiadają wysokość 617 m npm. Od strony wschodniej obszar powiatu znajdujący się w obrębie Płaskowyżu Sańsko - Dniestrzańskiego obniża się. Pas obniżenia o szerokości 60 km pomiędzy brzegiem Karpat a krawędzią Roztocza nazywany bywa tradycyjnie Bramą Przemyską. Brama ta stanowi dogodne przejście komunikacyjne między krawędzią Karpat a dnem Kotliny Sandomierskiej.
   Pod względem geomorfologicznym tereny powiatu w dominującej większości należą do Pogórza Dynowskiego, w południowej części do Karpat brzeżnych, od wschodu do Płaskowyżu Chyrowskiego oraz od północy do Doliny Dolnego Sanu i Działu Kańczuckiego. Główną rzeką powiatu jest San wraz z dopływami, przepływający rówoleżnikowo od zachodu na wschód obszaru powiatu.
   Pod względem klimatycznym powiat przemyski należy głównie do dzielnicy podkarpackiej, obejmującej m.in. część Karpat, gdzie średnia temperatura roczna wynosi od +7 do +8 stopni C, czas trwania pokrywy śnieżnej wynosi od 80 do 90 dni, suma opadów rocznych - 600-800 mm, a okres wegetacyjny, zależnie od wysokości trwa około 210-220 dni. Północno-wchodnia część powiatu znajduje się w zasięgu dzielnicy lubelskiej, obejmującej Roztocze, gdzie średnia temperatura roczna jest niższa od +7 stopni C, czas trwania pokrywy śnieżnej wynosi od 80 do 85 dni, suma opadów rocznych - 700 mm,  a okres wegetacyjny trwa około 200-210 dni.