Địa hình xã Duy Xuyên đa dạng, vùng núi cao phân bố chủ yếu ở phía Nam và Tây Nam, thuận lợi cho phát triển lâm nghiệp và sinh thái; vùng đồng bằng, trung du thấp dần về phía Bắc và Đông Bắc, là khu vực tập trung dân cư, hạ tầng và hoạt động sản xuất.
Xã nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới ẩm gió mùa, với nhiệt độ trung bình năm 25,6°C, lượng mưa trung bình 2.173 mm/năm, độ ẩm trung bình 82%. Thời tiết nhìn chung thuận lợi cho sản xuất nông nghiệp, song vào các tháng 9–11 thường chịu ảnh hưởng của bão, mưa lớn, tiềm ẩn nguy cơ lũ lụt.