La commune de Mauléon s'inscrit dans la macro-unité appelée « Pyrénées » et fait partie du piémont subpyrénéen. D'un point de vue stratigraphique, les matériaux les plus anciens affleurant dans cette zone sont les argiles bigarrées du Kauper (il existe deux petites affleurements sur la rive gauche du Gave de Mauléon ou Saison (Uhaitzandi), à hauteur de Licharre), dont les affleurements sont toujours liés à des accidents tectoniques (structure diapirique de Roquiague). Cependant, la formation la plus caractéristique est le flysch crétacé, pour lequel il convient de distinguer deux faciès nettement contrastés. En marge des affleurements du flysch, à l'extrémité orientale de la commune (anticlinal de Chéraute), se trouve un petit affleurement de marnes albiennes pouvant présenter des intercalations conglomératiques. La partie supérieure de cette formation se prolonge latéralement et verticalement vers le flysch de Mixe. Cette transition s'effectue soit par l'apparition progressive de niveaux sableux et silteux, soit par l'apparition de galets conglomératiques polygéniques. Le flysch de Mixe (Albenien-Cénomanien) se résout par une alternance d'argiles et de grès (synclinal de Beyrie et anticlinal de Chéraute), de couleur noire et/ou ocre. Latéralement, le flysch de Mixe cède la place à une alternance d'argile, de grès et de lentilles de calcaire à silex (Cénomanien), comme on peut l'observer dans le synclinal de Beyrie et dans le diapir de Roquiague. Enfin, dans la vallée du Gave de Mauléon, on observe des accumulations alluviales datées du Riss et du Wurm. Sur le plan structural, les plis suivent une direction ONO-ESE, parallèle à l'orientation générale de la chaîne pyrénéenne. Ce dispositif n'est perturbé que par le diapir de Roquiague.
L'homogénéité lithologique et la faible résistance des matériaux qui composent cette zone déterminent le développement d'un paysage de collines monotones qui dépassent rarement 450 mètres (Tibarene, 484 m ; Matalon, 439 m). Ces collines constituent une série d'alignements orientés ESE-ONO, séparés par de petites vallées, plus ou moins larges, orientées NNE-SSO. La faible résistance des marnes d'Albens détermine le creusement d'une série de dépressions, assez étroites et allongées, orientées ESE-ONO, comme on peut l'observer dans la combe de Chéraute ou dans la cuvette de Roquiague.
La commune de Mauléon est traversée par la rivière Saison (Uhaitzandi), qui traverse également le centre-ville. La rivière traverse la commune du sud au nord et, une fois hors des limites historiques du Pays basque français, elle rejoint le gave d'Oloron qui se jette ensuite dans l'Adour, lequel se déverse dans l'océan Atlantique. La rivière a un régime nivo-pluvial et se forme par la confluence de divers ruisseaux dans la partie haute de Zuberoa, d'où provient son apport nival, la commune atteignant une altitude maximale de 559 m au sud.
Le climat est océanique, avec des précipitations abondantes tout au long de l'année, qui atteignent leur maximum en automne-hiver. Les précipitations annuelles s'élèvent à environ 1 400 mm, les jours de neige étant très rares. Les températures sont modérées tout au long de l'année, avec des maximales en juillet et août et des minimales en janvier et février. L'amplitude thermique est d'environ 10 à 12 °C.