El municipio abarca parte de las cordilleras Central y Occidental, pero también cuenta con extensas áreas planas y onduladas, ubicadas principalmente en las proximidades del rió Cauca.

Entre sus accidentes orográficos se destacan el altiplano de Popayán, el alto de la Tetilla, los Cerros Alto, Santa Teresa, Tres Tulpas, Canelo, Cargachiquillo, Puzná.

El sistema hidrográfico del municipio comprende las corrientes que descienden del Macizo Colombiano; entre ellas se destacan los ríos Cauca, Blanco, Clarete, Hondo, Las Piedras, Molino, Mota, Negro. Palacé y Saté. La ciudad fue construida a orillas del río Molino.