Xã Đoài Dương có địa hình khá phức tạp, gồm nhiều dãy núi đá vôi cao dốc, xen lẫn các dải đồi thấp tạo thành các thung lũng có những cánh đồng khá bằng phẳng. Địa hình của xã phân làm 2 vùng chính.
Vùng 1: Là vùng đồng, nằm ở phía Bắc và phía Đông Bắc xã, chủ yếu dọc 2 bên sông Bắc Vọng và trải đều theo đường tỉnh lộ 206. Trải qua bao đời nhân dân khai phá cùng với sự kiến tạo của thiên nhiên đã tạo nên những cánh đồng, ruộng rẫy trù phú. Dòng sông Bắc Vọng chảy qua hằng năm cung cấp lượng phù sa màu mỡ và tưới tiêu cho đồng ruộng, thuận lợi cho đời sống dân sinh ở địa phương.
Vùng 2: Là vùng núi cao gồm có 7 xóm ở phía Tây Nam và phía Nam của xã, khan hiếm về nước sản xuất và nước sinh hoạt; phần lớn phụ thuộc vào nước mưa. Năng suất không ổn định, nguồn thu nhập chủ yếu là chăn nuôi và trồng trọt.
Xã Đoài Dương nằm ở độ cao từ 500 - 800 m so với mặt biển. Trên địa bàn xã có các ngọn núi Bảy Tiên, Lũng Thàn, Lũng Xóm, Thin Phong, Pác Mác, Phia Ven, Sảng Cao, Pài Cải. Đèo Khau Liêu giáp với xã Quảng Hưng, huyện Quảng Hòa có độ cao 500 m, với những đoạn đường có độ dốc 40 độ. Sự phức tạp của địa hình, địa thế tạo ra nhiều tiểu vùng sinh thái đặc thù, cho phép Đoài Dương phát triển đa dạng cây trồng, vật nuôi. Tuy nhiên, đặc điểm địa hình như vậy đã ảnh hưởng lớn đến hoạt động giao lưu, phát triển kinh tế - xã hội và đầu tư phát triển hệ thống hạ tầng cơ sở, đặc biệt là giao thông.
Đoài Dương có hệ thống sông suối phân bố khá đều, trong đó lớn nhất là sông Bắc Vọng. Sông Bắc Vọng bắt nguồn từ Trung Quốc, chảy qua xã Tri phương, Quang Trung, Trung Phúc đến địa phận Đoài Dương với chiều dài hơn 10 km. Chiều rộng trung bình của lòng sông là 58-80 m, độ sâu trung bình là 1,5 m; lưu lượng dòng chảy lớn nhất là 350 m3/s, lưu lượng nhỏ nhất 0,76 m3/s. Sông Bắc Vọng ngoài việc cung cấp 60% nước tưới, nước sinh hoạt cho nhân dân, còn đem lại nguồn lợi tôm cá cho cư dân dọc hai bên bờ. Lòng sông Bắc Vọng còn có cát, sỏi để phục vụ nhu cầu xây dựng cơ sở hạ tầng của nhân dân địa phương và các xã lân cận.
Đoài Dương có nhiều suối, mỏ nước, tạo điều kiện thuận lợi cho phát triển sản xuất nông nghiệp của xã. Hai mỏ nước xóm Nà Keo, Thông Huề (cũ) tạo thành con suối rộng từ 2-3 m, dài khoảng 3 km, tưới tiêu cho nhiều xứ đồng của xóm Thua Phja, Nặm Thúm; suối Thua Khảm đổ vào sông Bắc Vọng dài chừng 1.500 m đưa nước về đồng ruộng của các xóm Sộc Hoắc, Pò Gài, Nà Quang (xã Đoài Côn cũ); Suối Thiêng Khằn dẫn nước cho cánh đồng Thua Khuông (Thân Giáp cũ); Suối Nà Ké chảy qua xóm Đồng Tâm; suối Pò Tấu dẫn nước cho cánh đồng Sộc Chăng và Bản Coỏng trước khi hòa vào sông Bắc Vọng.
Ngoài ra, trên địa bàn xã có một số các con suối nhỏ bắt nguồn từ các hẻm núi, về mùa mưa tạo thành dòng chảy lấy nước làm ruộng, tiện lợi cho sinh hoạt; nhưng ngược lại, gặp mưa lũ lớn cũng làm sạt lở, ngập úng ảnh hưởng đến mùa màng.
Xã Đoài Dương có nhiều hang động, trong đó có các hang động lớn là Ngườm Khum Khảu (Bản Khuông), Ngườm Lóng (Nà Thềnh), Ngườm Đăm (Nà Keo), Lung Lếch, Ngườm Loóng (Đồng Liên). Ngườm Loóng trong thời kỳ kháng chiến chống Pháp là một trong những hang cất giữ vũ khí cho lực lượng dân quân, du kích và bộ đội địa phương. Hang Lung Lếch có nhiều khoang rộng, có thể chứa được nhiều người, hình thành bậc thang tự nhiên, nửa nước, nửa cạn. Thời kỳ kháng chiến chống Mỹ, hang là nơi để học sinh sơ tán.
Sông Bắc Vọng, đoạn chảy qua địa bàn xã (Thông Huề và Thân Giáp cũ) gặp địa hình núi đá vôi đã tạo thành 2 thác nước cao 30 m, dài hơn 100 m, đó là thác: Thác Thoong Ma và thác Thoong Tắc. Thác Thoong Ma ở thượng lưu sông Bắc Vọng, thác Thoong Tắc ở hạ lưu sông Bắc Vọng. Đây là những cảnh đẹp thiên nhiên tiêu biểu của địa phương.
Cũng như nhiều địa phương khác của huyện Trùng Khánh, Đoài Dương chịu nhiều ảnh hưởng của khí hậu á nhiệt đới; thường chịu ảnh hưởng trực tiếp bởi gió mùa, chủ yếu là gió mùa đông bắc. Mùa đông, độ ẩm thấp, khô hanh và rét buốt; mùa hè nóng bức, chỉ mát dịu về ban đêm. Khí hậu hai mùa nóng và lạnh chênh nhau rõ rệt. Từ tháng 12 đến tháng 2, nhiệt độ trung bình dưới 150C, thấp nhất là 2-50C. Mùa nóng từ tháng 4 đến tháng 9 nhiệt độ trung bình từ 24,20C, cao nhất là trên 370C. Lượng mưa bình quân hằng năm là 1.665,5 mm. Lượng mưa phân bổ không đều giữa các mùa. Mùa mưa tập trung từ tháng 4 đến tháng 9, chiếm 82,5% tổng lượng mưa cả năm, tập trung vào các tháng 6, 7, 8. Mùa khô từ tháng 10 năm trước đến tháng 3 năm sau chỉ có 290,5 mm, tháng mưa ít chỉ đạt 0,1-0,19 mm, thậm chí có tháng không mưa. Mùa đông có gió đông bắc. Đây là loại gió lạnh có khi hình thành băng giá, thậm chí mưa tuyết…