Środowisko naturalne Zduńska Wola leży w obszarze Wysoczyzny Łaskiej w makroregionie Niziny Południowowielkopolskiej. Rzeźba terenu jest mało urozmaicona – średnia wysokość terenu waha się między 170 a 180 m n.p.m., osiągając maksymalnie 192 m n.p.m.„Plan Rozwoju Lokalnego”, s. 9. Przez miasto przepływają dwie niewielkie rzeczki – Pichna (prawdziwa nazwa – Brodnia) i Tymianka, w większości nieuregulowane. Wśród zbiorników wodnych znajdują się dwa stawy położone w parku miejskim, zbiornik retencyjny Kępina o powierzchni 7,4 ha oraz niewielki zbiornik przeciwpożarowy położony w przemysłowej części miasta. Nie występują żadne surowce mineralne. Dawniej wydobywany był piasek i żwir na potrzeby lokalne. Obecnie trwają prace nad wykorzystaniem energii geotermalnej.
Miasto leży w strefie klimatycznej umiarkowano-przejściowej. Roczne opady wahają się pomiędzy 500 a 600 mm. Średnia temperatura stycznia wynosi –2,5 °C, a lipca 18 °C. Okres wegetacyjny trwa od początku kwietnia do początku października i trwa 215 dni.
Według raportu Światowej Organizacji Zdrowia w 2016 r. Zduńska Wola została sklasyfikowana jako dwudzieste dziewiąte miasto Unii Europejskiej z najbardziej zanieczyszczonym powietrzem.