Địa hình huyện cơ bản là đồng bằng duyên hải, đất phù sa, đất cát ven biển. Các sông ngòi lớn là sông Nghèn, sông Rào Cái đổ ra Cửa Sót, hồ Kẻ Gỗ nằm ở phía Tây Nam huyện. Thạch Hà có trữ lượng sắt lớn tại mỏ sắt Thạch Khê.

Phía tây, liền với vùng núi Hương Khê là dải núi đồi thấp, rìa ngoài của rặng Trường Sơn Bắc, kéo dài 24 km từ động Sơn Mao (Thạch Ngọc) đến ngọn Báu Đài (Thạch Lưu), Nhật Lệ (Thạch Điền). Vùng bán sơn địa này rộng khoảng 11000 – 12000 ha chiếm 25% diện tích toàn huyện (Theo tài liệu điều tra của Tổng cục Thủy sản)(1). Các núi đều ở độ cao trung bình 200 – 250m, trừ ngọn Nhật Lệ(416m). Phía đông huyện có nhiều núi nhỏ, thấp và dãy Nam Giới với ngọn Quỳnh Sơn (373m) vốn là những hòn đảo trong vũng biển xưa. Đồng bằng Thạch Hà có diện tích khoảng 29000ha, trong đó có khoảng 13000ha đất thịt và 10000ha đất cát pha. Ven biển có khoảng 6000ha, chiếm 12,5% diện tích, trong đó có khoảng 1000ha là núi đá, còn lại là cát biển (TLĐD). Do cấu tạo bằng phù sa núi và cát biển, đồng điền tương đối bằng phẳng nhưng ít màu mỡ.

Thạch Hà có mạng lưới sông ngòi khá dày, 10 km/1 km². Tổng lưu vực hứng nước rộng gần 800 km². Các sông suối, trong đó có ba sông chính (sông Dà – Hà Hoàng, sông Cày, sông Rào Cấy) mỗi năm đổ ra cửa Sót 36 – 40 triệu m3 nước và 7 vạn tấn bùn, cát. Bờ biển dài khoảng 20 km với tổng diện tích vùng đặc quyền kinh tế là 3310 km² (TLĐD).

Thạch Hà xưa nay vẫn là một huyện nông nghiệp. Hiện toàn huyện có 13.757,33 hecta đất nông nghiệp; 8.315,39 hecta đất lâm nghiệp; 815,56 hecta đất nuôi trồng thủy sản,; 84,3 ha đất làm muối; 5,11 ha đất nông nghiệp khác.