Tokaj városa a Nagy-Kopasz hegy (Tokaji-hegy) keleti-délkeleti oldalán, három tájegység találkozásánál helyezkedik el. A Kopasz az Eperjes-Tokaji hegység (régebben: Zempléni-hegység) legdélebbi csúcsa, a hegység többi részétől kicsit elkülönülve, szigetszerűen elhelyezkedő vulkáni kúpja a Taktaköz, a Bodrogköz és a Nyírség találkozását jelzi. Ez a változatos földrajzi környezet az alapja a város környéke páratlan biológiai sokféleségének, és egyben Tokaj egyik vonzerejét jelenti.
Maga a hegy kialakulása körülbelül 10 millió éve fejeződött be, anyaga geológiai szempontból változatos, de főleg piroxéndácit (kvarcos andezit). Erre az alapkőzetre rakódott az utolsó jégkor száraz, hideg periódusaiban, az úgynevezett glaciálisokban a Tokajra annyira jellemző lösz, ami tulajdonképpen az erős szelek által összehordott, üledékes kőzetté összeállt por. A tokaji lösz kb. 70000 éves, legfiatalabb részei 14000 évesek. Ezen jött létre aztán az a termőtalaj, ami a tokaji borok minőségének egyik meghatározója.
A helyi klíma igen változatos, kis távolságokon belül is eltér. Ennek oka a változatos domborzat, a lejtőszög, a kitettség sokfélesége. A déli, meredek lejtők nyáron nagyon forrók és szárazak, a völgyekben, eróziós árkokban az árnyékolás, a kevesebb napfény hűvösebb, párásabb mikroklímát eredményez. Ezen tényezők miatt a növény és állatvilág képe, összetétele már néhány méteren belül is jelentősen eltérhet.
Tokajra általában jellemző a napsütéses órák évi magas száma (1900-2000). A csapadék mennyisége kevés, 500-600 mm, de az éves ingadozás nagy. Befolyásolja a mikroklímát a két folyó, a Tisza és a Bodrog közelsége is. Esténként párás levegőt sodor a szél a városra és a fölötte elterülő lejtőkre, ez pedig ősszel kedvez Hegyalja különlegessége, az aszú létrejöttének.
A természetes növénytakaró és az ezzel összhangban kialakult állatvilág a kiterjedt szőlőművelés miatt a XIX. századra visszaszorult, majd a filoxérajárvány (a szőlő veszélyes rovarkártevője) után kezdte visszahódítani a hegyet. A déli oldalon ma melegkedvelő tölgyesek, bokorerdők, szigorúan védett, nagyon értékes sziklagyepek, az északi, északkeleti oldalakon tölgyesek, sztyepprétek, hársasok találhatók. A folyók árterein a régi időket idéző mocsarak, nádasok, ligeterdők vannak, olyan zoológiai és botanikai értékekkel, melyek hazánkban egyedülállók. Magyarország legnagyobb uhupopulációja, parlagi sas, réti sas, fekete gólya, illetve 18 orchideafaj, gyapjas őszirózsa és gyapjas csüdfű található többek között, mindössze néhány négyzetkilométeren.
