Na tle podziału administracyjnego kraju Nadleśnictwo położone jest w południowej części województwa łódzkiego, w gminach: Nowa Brzeźnica, Pajęczno obszar miejski, Pajęczno obszar wiejski, Strzelce Wielkie, Łęki Szlacheckie, Ręczno, Radomsko obszar miejski, Radomsko obszar wiejski, Dobroszyce, Gomunice, Kamieńsk obszar miejski, Kamieńsk obszar wiejski, Kobiele Wielkie, Kodrąb, Lgota Wielka, Ładzice, Masłowice, Wielgomłyny, Żytno, i w północnej części województwa śląskiego, w gminie Kruszyna.

Zgodnie z regionalizacją przyrodniczo-leśną Polski (Zielony i Kliczkowska 2012) lasy Nadleśnictwa Radomsko położone są w zasięgu następujących jednostek przyrodniczoleśnych: Kraina: Małopolska (VI):
                      Mezoregion:
                           - Sieradzko-Łódzki (VI-1)   
                           - Piotrkowsko-Opoczyński (VI-2)
                           - Wyżyny Woźnicko-Wieluńskiej (VI-15)   
                           - Niecki Włoszczowskiej (VI-19)

Pod względem podziału geobotanicznego (Matuszkiewicz 2007) Nadleśnictwo Radomsko położone jest w:

• Dziale Wyżyn Południowopolskich (C),
• Krainie Wysoczyzny Łódzko-Wieluńskiej (C1),
• Krainie Wyżyn Środkowomałopolskich (C2).

Według stosowanego obecnie podziału fizycznogeograficznego Kondrackiego (2000), Nadleśnictwo Radomsko położone jest w:

• Prowincji Wyżyn Polskich (34),
• Podprowincji Wyżyny Małopolskiej (342),
• Makroregionie Wyżyny Przedborskiej (342.1),
• Mezoregionie Wzgórz Radomszczańskich (342.11),
• Mezoregionie Niecki Włoszczonowskiej (342.14).
• Podprowincji Wyżyny Śląsko-Krakowskiej (341),
• Makroregionie Wyżyny Woźnicko-Wieluńskiej (341.2),
• Mezoregionie Wyżyny Wieluńskiej (341.21).
• Prowincji Niżu Środkowoeuropejskiego (31),
• Podprowincji Nizin Mazowiecko-Podlaskich (318),
• Makroregionie Wzniesień Południowo-Mazowieckich (318.8),
• Mezoregionie Wysoczyzny Bełchatowskiej (318.81).

W dolinach rzek niewielkie powierzchnie zajmują krajobrazy zalewowych den dolin Pilicy i Warty, a miejscami także terasów nadzalewowych. Rzeźba terenu uformowana została głównie w okresie zlodowacenia środkowopolskiego. Jest to bezjeziorna równina denudacyjna, miejscami z ciągami wzgórz morenowych i kemów, osiągających do 323 m n.p.m. (Góra Chełmo) na północ od Radomska.

Dominują utwory geologiczne zlodowacenia środkowopolskiego, głównie plejstoceńskie gliny zwałowe, piaski i żwiry lodowcowe, oraz piaski i żwiry sandrowe. Dolinę Warty oraz Pilicy i ich dopływów oraz bezodpływowe zagłębienia po zanikłych jeziorach wypełniają holoceńskie piaski, żwiry, torfy i namuły.