Phú Xuyên có nhiều đồi núi, khe suối, ao, hồ. Xã có một ngọn núi có tên là Núi Thiêng (còn gọi là Núi Thiên, núi Thuý), nằm trên địa phận hai xã Phú Xuyên và Phú Thịnh. Một ngọn núi khác là là Núi Điệng cao khoảng 500 m.

Xã có hai cây đa cổ thụ, có từ thời phong kiến, mọc hai bên đường quốc lộ 37, rễ chùm đan vào nhau giống như một cổng chào lớn.

Trên địa bàn xã có khu du lịch tự nhiên Thác Ba Dội (Đát Đắng), nằm dưới chân dãy núi Tam Đảo, phía ngoài là hồ Vai Bành, một hồ nhân tạo được tỉnh Thái Nguyên xây dựng trong thập niên 1980, nhằm phục vụ cho nông nghiệp của xã và các xã lân cận.