Situado en la zona noroccidental de la Hoya de Castalla, en la comarca de la Hoya de Alcoy, Onil presenta un relieve accidentado, en el que se distinguen dos unidades orográficas: la sierra y el llano.
La Sierra de Onil, en las estribaciones occidentales de la Sierra de Mariola, ocupa la mitad septentrional del término y está flanqueada al oeste por la Sierra del Reconco (1210 m; término de Biar) y la Sierra de Biar, al norte por la Fenossosa (término de Bañeres) y al este por l'Alt de Biscoi (1164 m; término de Ibi), en las inmediaciones del parque natural del Carrascal de la Font Roja, y la Serra Grossa (término de Ibi). Las altitudes más destacadas de la Serra d'Onil son, de oeste a este: el Coll de Fontalbres (1023 m), Vistabella (1102 m y 1133 m), el Tossal de la Creu (1127 m), les Talaies (1056 m), la Fenossosa (1211 m), les Ombries (1005 m, 1013 m, 988 m, 1015 m), la Penya de l'Àguila (988 m), les Penyes Roges (981 m y 973 m), els Pasqualets (974 m), el Pinar de l'Ombria (1032 m), el Cim de Teulau (1018 m), l'Ombria del Puig (1081 m), el Cabeç de Favanella (996 m), Tahuenga (1009 m), l'Alt de l'Arcaeta (994 m), la Solana de Monvari (1016 m). En la parte meridional de la Sierra de Onil, en descenso hacia el núcleo urbano y la llanura, encontramos en una cota más baja, partiendo del oeste : l'Alt del Frare Quarto, els Castellets, la Coveta de Santa Quitèria, l'Alt Redó. La población arranca literalmente a los pies de una línea montañosa bastante escarpada en muchos puntos y se expande hacia la llanada.
La zona del llano se subdivide en tres unidades ( de este a oeste ): el Pla de Quart, el Pla d'Onil y la Marjal, antiguamente un humedal cuya desecación concluyó en el siglo XVIII, donde inicia su curso el río Verde, afluente del Montnegre.
Su clima es en general templado, pero batido por todos los vientos, aunque dominando el de poniente.