原州市는 江原道의 험준한 太白山脈 남서쪽에 위치하며 시의 동쪽 경계는 태백산맥에서 갈린 車嶺山脈이 남서 방향으로 발달한다.
차령산맥의 능선을 타고 북쪽에서부터 梅花山(1,084.1m), 雉岳山 飛蘆峰(1,288m), 향로봉(1,042.9m), 南台峰(1,181.5m) 등이 남쪽으로 늘어서면서 壯年期의 높고 험준한 雉岳山脈을 이루고, 북서쪽을 향하여 완경사를 이루면서 크고 작은 산들이 분포하고 있다.
원주시의 중심 지역은 전반적으로 낮은 지형을 이루며 경사는 완만한 편이다.
이와 같은 지형적  특징은
①동부 지역 치악산맥의 變成堆積岩層 지대와
②서부 지역의 石英斑岩과 中粒∼細粒質 花崗岩類 지대 및
③중심 지역의 粗粒質 黑雲母 花崗岩 지대와의 差別浸蝕作用에 의하여 넓은 原州盆地(해발 160m), 山麓緩斜面 및 낮은 丘陵地 등을 발달시켜 농경지와 도시 발달의 환경을 제공한다.
즉, 조립질 흑운모 화강암의 구성광물 중 하나인 조립의 흑운모가 화학적 풍화작용에 약하므로 쉽게 풍화를 받아 암석 전체가 부스러지게 되고, 이에 節理面을 따른 기계적 풍화작용이 가세되어 주변 지역보다 풍화·침식이 더 활발히 일어나 낮은 지형을 이루고 있어 노년기 지형에 가깝다.
서부 지역은 남북 방향의 塘山-冠帽山 능선, 수리봉 능선, 북북서-남남동 방향의 능선 등이 발달하고 있어 험준한 장년기의 산악지대를 이루며 이에 각각의 계곡을 따라 동서, 남동 또는 북서 등으로 흐르는 소규모의 溪谷流들이 모여 蟾江과 南漢江으로 합류한다.
남동부 지역은 鷹峰-紺岳峰 고산지대, 九鶴山 고산지대가 寧越郡 및 堤川市와의 분수령을 이룬다.
치악산 고산지대의 주축을 형성하는 치악산맥은 가장 험준한 지대이며, 산맥에 연하여 깊은 산간계곡들이 남북방향으로 발달한다.
이들은 치악산 고산지를 구성하는 변성암(편마암류와 편암류)의 주향과 일치한다.
치악산 고산지는 제천시로 연결되는 5번 국도가 지나는 계곡 즉, 남쪽에서 북서쪽으로 발달하는 가라파 계곡에 의하여 九鶴山 고산지대와 구분된다.
양자의 경계부에서는 세립질 閃綠岩과 石灰岩層의 발달에 의하여 지형 구분에 현저한 차이를 보여준다.
구학산 동북부 神林面 신림리와 구학리 일대에는 석회암층이 넓게 발달하고 있어 카르스트(karst) 지형의 특징을 보여주기도 한다.
남부지역은 계곡을 흐르는 하천의 下刻作用이 진행되는 장년기 지형에 해당한다고 할 수 있다.
원주분지는 면적 약 100㎢, 남북 약 15㎞, 동서 약 10㎞이며 북쪽에는 長陽山(265.2m), 남쪽에 白雲山(537m), 동쪽에 치악산(1,288m), 서쪽에 鳳華山(337m) 등 사방이 차령산맥의 支脈으로 둘러싸여 있는 차별침식분지이다.
남한강의 지류인 섬강에 흘러드는 原州川의 대소 분류가 사방에서 흘러들면서 구릉지를 침식하여 준평원이 발달되어 있다.
중앙부에 鳳山山塊가 북동쪽에서 뻗어 분지는 동서로 양분되며, 원주시가지는 봉산산록과 원주천 左岸 汎濫原에 발달한다. 분지는 화강암 지대로 이루어져 있다.
원주시에서 표고가 100m 이하인 지역은 文幕邑 일대와 好楮面의 하천 일대로서 전체 면적의 8.74%를 차지하고 있으며, 원주시 중심지와 변두리의 생활 주거 지역은 표고 100∼200m인 지역이며 전체 면적의 31.82%를 차지한다.
한편, 경사도 분포에 있어서 원주 시내와 문막읍을 중심으로 한 지역은 경사 10°이하인 아주 완만한 경사지대로서 47.37%를 차지하며, 시내 주변의 경사도는 10∼20°로서 34.94%를 차지한다.
산악지방은 대부분 30°이상이다.
이와 같이 완경사지인 20°미만의 경사를 보이는 곳은 약 82%이며, 20°이상인 산악지역은 약 18%를 차지하고 있다.
이러한 지형적 특징은 원주 지역의 水系 발달에도 영향을 끼치고 있는데 주요한 수계는 섬강 수계와 원주천 수계이다.
섬강은 길이 92㎞로서 강원도 橫城郡 屯內面과 平昌郡 蓬坪面과의 경계에 솟은 泰岐山에서 발원하여 서쪽으로 흐르다가 원주시의 북쪽으로 유입·蛇行하면서 남서쪽으로 유로를 바꾸어 경기도·강원도·충청북도의 3도가 접하는 원주시 富論面 興湖里에서 남한강과 합류한다.
비교적 강수량이 많은 지역을 통과하므로 수량이 많은 편이며, 심한 嵌入曲流를 하여 협곡에는 地正面의 艮峴과 같이 경치가 좋은 곳이 발달하여 여름철에는 피서 인파가 많이 모인다.
원주천은 시내 중심부를 지나 북북서쪽으로 흐르면서 好楮面 玉山에서 섬강과 합류되고, 大安川, 梅芝川, 宮村川 등도 북서쪽으로 사행하면서 섬강과 합류한다.
이들 하천이 흐르는 유역에는 원주분지와 문막읍 일대에 넓고 기름진 충적평야를 형성한다.