Tam Thanh thuộc vùng núi cao bị chia cắt mạnh bởi sông Lò, các suối lớn và các dãy núi cao như núi Pù Pha Lay, Pù phạ mứt thuộc bản Pa, Pu lông lênh thuộc bản Ngàm. Hướng núi thấp dần từ tây sang Đông, độ dốc trung bình từ 30-35, có nơi dốc đến 40 độ, đồng thời đây là hiện tượng gây nên sạt lở đất đá trong mùa mưa lũ, lượng mưa kéo dài trong nhiều ngày, nhiều giờ.

Xã thuộc vùng cao của huyện Quan Sơn, có đặc điểm khí hậu nhiệt đới gió mùa nhưng là vùng núi cao, độ che phủ rừng lớn, nên Tam Thanh thuộc đặc trưng của vùng khí hậu miền núi Thanh Hóa. Chế độ khí hậu hình thành hai mua rõ rệt, mùa đông từ tháng 11 đến tháng 1 âm lịch năm sau giá lạnh – lượng mưa thấp. Mùa hạ từ tháng 5 đến tháng 10 nắng nóng – mưa nhiều, chuyển tiếp giữa hai mùa này là mùa xuân và mùa thu kéo dài khoảng 2 tháng, gắn liền với mùa chính là mùa đông và mùa hạ đã sản sinh ra sự biến đổi các yếu tố khí tượng như độ ẩm tương đối trung binh trên 86%, thấp nhất là 16%, nhiệt độ trung bình năm 23,2 độ C, cao nhất 39 độ C, thấp nhất 5 độ C, lượng mua trung bình/năm 1.859 mm, lớn nhất 2.700 mm, số ngày mưa trung bình/năm 134 ngày, lượng mưa mùa đông chỉ bằng khoảng 20 – 25% lượng dòng chảy cả năm, chính vì vậy mùa hạ là mùa thường xảy ra nhiều lũ lụt hay thiên tai khắc nghiệt ảnh hưởng ít đến đời sống, sản xuất, lưu thông hàng hóa của nhân dân.[3]

Ở Tam Thanh có hai mùa gió chính, gió tây Nam khô nóng, giông tố, mưa đá, bão và gió Đông bắc lãnh khô, hanh, rét đậm có xuất hiện sương giá và dễ gây hạn hán cháy rừng. Điều kiện thời tiết của xã tuy gây ra những điều kiện bất lợi nhưng nhìn chung những yếu tố của khí hậu nóng ẩm quanh năm đã tạo điều kiện tương đối thuận lợi cho việc phát triển lâm nghiệp, nông nghiệp chăn nuôi gia súc, gia cầm.[3]

Sông Lò (Tiếng Thái: Nặm Mò) bắt nguồn từ Hủa Phăn, Lào chảy qua địa giới hành chính của xã, đổ về sông Mã và nhiều suối khác chảy về sông Lò, sông Luồng. Đặc trưng sông suối của xã Tam Thanh là độ dốc cao, tốc độ dòng chảy lớn về mùa mưa lũ, là nguy cơ gây lũ quét, lũ ống, sạt lở đất 2 bên bờ sông, suối ảnh hưởng trực tiếp đến nhà ở và hoa màu của nhân dân.

Từ các nhóm đá mẹ kết hợp với khi hậu thời tiết đã hình thành nên đã hình thành nên các nhóm đất khác khau gồm đất: Feralit trên núi có màu vàng đến nâu vàng phổ biến trên đại bàn xã; nhóm đất Halit trên núi cao phân bổ ở các điỉnh núi cao gần 800 m; nhóm đất Firalit biến đổi do trồng lúa (F1) phân bổ chủ yếu ở các ven đồi do khai hoang phục hóa; nhóm đất phù xa bồi tụ ven sông, ven suối phân bổ ở ven sông Lò, suối Pa thuộc đất canh tác trồng lúa hoa mầu và nhóm đất dốc tụ chân đồi thich hợp với trồng màu, thương thực và trồng rừng.