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楚雄地势西北高，东南低，从西北向东南倾斜，呈倾斜葫芦形，最高山峰为西舍路哀牢山脉的小越坟山，海拔2916米，最低点在礼社江与彝家拉河、石羊交汇处，海拔691米，鹿城中心海拔1773米。楚雄山脉皆属哀牢山系东麓支干余脉，基本呈西北、东南走向。
楚雄境内有红河、金沙江两大水系。红河水系穿越市境西南部的礼社江，为元江上游，发源于大理州巍山县，经南华县入境，其支流有马龙河、三街河、白衣河、五街河、邑舍河、碧鸡河、自雄河。金沙江水系以龙川江为楚雄市坝区主要河流，发源于南华天申堂，自西向东流，于吕合入境，经牟定、元谋县入金沙江。主要支流有紫甸河、西静河、河前河、寨子小河、青龙河、苍岭小河。红河水系在境内的径流面积为3228平方公里，占全市总面积的76%；金沙江水系在境内的径流面积1092平方公里，占24%。全市年均降水量39.6亿立方米，径流量9.3亿立方米,地下水量3.2亿立方米。2002年年降水量1213.5毫米。境内水能理论蕴藏量24.4万千瓦，可开发量为23.8万千瓦。鹿城花果山矿泉水和石涧矿泉水含游离二氧化碳、偏硅酸等化合物，有锶、锂、锌等21种微量元素，日可采量250吨。
楚雄市属北亚热带冬干夏湿季风气候区，地处高原，地形复杂，海拔高差大，具有“一山分四季，隔里不同天”的气候特点。气温日差较大，年差较小；冬无严寒，夏无酷暑；干湿季分明，雨热同季；日照充足，霜期较短，冬春降水偏少；2002年度年平均气温16.7oC。
土地以紫色土、水稻土、红壤和黄棕壤为主，紫色土主要分布于海拔1900～2300米的东部坝区，占土地面积的32.4%；水稻土占耕地面积的62%；红壤占26.1%;黄棕壤分布于海拔2300米以上的冷凉地带,土层较厚,占8%。
境内矿产资源储量较多的有煤、油页岩、金、铜、铅、锌、石灰石。褐煤储量8870万吨，无烟煤储量1993万吨。油页岩储量122.4万吨，铅锌矿石储量87万吨。石灰石分布广，此外还有楚石（大理石）、石棉等。楚雄境内常见木本植物有40多种，草本植物20多种，牛肝菌、松茸等食用菌30多种，野生中草药640多种，较为名贵的有野生三七、天麻、茯苓、五味子、小棕包等56种。已发现的野生动物有519种，其中两栖类29种，爬行类56种，鸟类329种，兽类105种，属国家保护的野生动物有蜂猴、白鹇等64种。位于市境西南部的国家级自然保护区哀牢山，森林茂密，人迹罕至，有名贵植物1480多种，鸟兽460种，两栖爬行动物46种，国家重点保护的珍稀动物26种，被列为联合国“人与生物圈”森林生态系统的定位观察站，是森林生态研究基地之一。
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