Đầm Hà có diện tích tự nhiên rộng 41.436 ha, trong đó trên 80% diện tích là đồi núi. Núi Đại Hoàng Mô (Tài Voòng Mố lẻng) 1106m, núi Tế Hoàng Mô (Say Voòng Mố lẻng) 1025m. Địa hình thấp dần về phía nam. Vùng phía nam huyện là một cánh đồng trung du đông dân cư và là một vùng trọng điểm nông nghiệp. Sông Đầm Hà dài 25km bắt nguồn từ nhiều dòng suối trên các triền núi phía bắc đổ về, mùa mưa hay có lũ lớn. Phù sa của sông Đầm Hà và sông Đồng Cái Xương đã bồi tụ nên một dải bãi triều ven biển, tạo nên một tiềm năng nuôi trồng đánh bắt thủy hải sản.