市の北西端は大朝日岳があり、市域の西半分ほどを朝日山地が占める。市の東部にある盆地は長井盆地と呼ばれ、長井市の市街地がある。市の東から流れる最上川に、飯豊山地から北上する白川と、朝日山地から東進する野川が合流し、水量を増して市街地付近を北に流れる。 気候は盆地のため寒暖差が激しく、降雪量が多い。
東西の置賜郡をあわせた置賜地方は、戦国時代には全体が長井荘と呼ばれていた。この内、米沢市周辺を上長井、現在の長井市周辺を下長井と呼んだ。米沢市の上長井地区（旧南置賜郡上長井村）はその名残である
