Yüzölçümü 1542 km² olan ilçenin denizden yüksekliği 710 metredir. Güneyden doğu batı istikametinde uzanan ve en yüksek tepesi 1892 metre olan Deveci Dağları, kuzeyden yine doğu batı istikametinde uzanan yüksek tepelerle çevrili olan Zile bir ovanın orta yerinde yükselen höyüğün çevresinde kurulmuştur. Anadolu'nun en eski yerleşim merkezlerinden biridir.

Güvercin çalı, Hüseyin Gazi Tepesi ve Sivriçal bu ovada belli başlı engebelerdir. İlçe sınırları içerisinden geçen Çekerek Irmağı önemli bir su kaynağı olmakla beraber yararlanılamamaktadır. Çalışmaları sürdürülen Süreyya Bey Barajı tamamlandığında, ilçe topraklarının büyük bir kesiminin sulanabilmesi mümkün olacaktır. Zile'nin coğrafi bölge taksimatında Orta Karadeniz Bölgesi'nin güneyinde bulunması ve İç Anadolu Bölgesi'nin kuzeyine komşu olması nedeniyle her iki bölgenin de iklim özelliklerini taşır. Yazlar sıcak ve kurak, kışlar özellikle kar yağışlı ve soğuk geçer. Yağmurlar ise daha ziyade ilkbahar sonlarına kaymış olmakla birlikte sonbaharın ilk aylarında da görülür. Bu nedenle Zile'de genel olarak Karadeniz - İç Anadolu arası iklim tipi hakimdir.