Według podziału fizycznogeograficznego Jerzego Kondrackiego obszar Doliny Trzech Stawów położony jest w mezoregionie Wyżyna Katowicka (341.13), stanowiącego południową część makroregionu Wyżyna Śląska.
Pod względem geologicznym tereny Doliny Trzech Stawów położone są w niecce górnośląskiej, a obszar ten ma budowę zrębową. Dolina wykształciła się na terenach zapadliskowych, w obniżeniu rozdzielającym dwie grzędy na równoleżnikowo przebiegającym garbie Płaskowyżu Murcek. Utwory z okresu karbonu budują podłoże doliny, zaś powierzchniowo tereny doliny budują plejstoceńskie piaski i żwiry glacjalne i fluwioglacjalne oraz ciągnące się bezpośrednio wzdłuż Potoku Leśnego holoceńskie osady rzeczne. Eksploatacja górnicza doprowadziła do obniżenia o około 15 m terenów w Dolinie Trzech Stawów. Obszar ten położony jest na dawnym polu górniczym KWK „Katowice”.
Dolina Trzech Stawów położona jest w dolinie Potoku Leśnego, będąca prawym dopływem Rawy, stanowiącego część dorzecza Wisły. Tworzy ona zespół 11 sztucznych zbiorników wodnych (w tym: Łąka, Kajakowy, Oczko, Kąpielowy i Ozdobny) o łącznej powierzchni ponad 35 ha. Część stawów to akweny przepływowe, zaś inne, zlokalizowane w sąsiedztwie, są bezodpływowe. Powstałe one na skutek eksploatacji górniczej.