Về cấu tạo thổ nhưỡng gồm 3 loại đất chính: đất đồi, đất phù sa và đất núi đá. Trong đó đất phù sa chủ yếu tập trung ở dọc sông Gianh và các cánh đồng của xã được hình thành do lũ lụt bồi lắng hàng năm, phù hợp cho việc sản xuất nông nghiệp.

          Về địa hình, phần lớn diện tích của xã Thanh Hoá là đồi núi, khe suối. Diện tích đất sản xuất nông nghiệp ít, lại nằm hai bên sông Gianh, có các con suối hẹp, có độ dốc cao, cùng với việc khai thác lâm sản diễn ra ở rừng đầu nguồn nên hàng năm thường xẩy ra lũ lụt, làm thiệt hại mùa màng, tài sản của Nhân dân.

          Thanh Hoá còn có cả một dãy núi đá đồ sộ với diện tích 82,67ha. Sát chân núi đá vôi và rừng nguyên sinh còn có nhiều thung lũng đất đai phì nhiêu phục vụ cho việc sản xuất chăn nuôi, Nhân dân địa phương thường gọi các khu vực này là lèn Khu Mơi, lèn Bạch Tài, lèn Hà... Cùng với thiên nhiên, lịch sử để lại trên mảnh đất này nhiều di tích cổ xưa. Đó là hang động ở trong lòng đá vôi như hang Lèn Hà đã một thời ghi dấu những chiến công thầm lặng của cán bộ, chiến sỹ Trạm cơ vụ A69 anh hùng; hang hầm xe lửa...

          Ngoài ra, núi đá vôi ở đây vừa tạo nên cảnh quan môi trường cho một vùng quê; vừa là nguồn lợi cho xã nhà trong việc khai thác đá để phục vụ cho xây dựng cơ bản, phục vụ cho sản xuất.

          Rừng tự nhiên Thanh Hoá trước đây có nhiều loại thực vật, động vật phong phú, đa dạng với nhiều loại gỗ quý hiếm như mun, lim, sến, táu... và nhiều loại thú như hổ, báo, lợn rừng, khỉ, sơn dương, bò tót, cầy hương cùng các loại chim sóc... Bên cạnh đó, rừng còn có nhiều loại song, mây phục vụ cho việc sản xuất các mặt hàng tiểu thủ công nghiệp, hàng tiêu dùng và hàng xuất khẩu. Đến nay, nhiều loại động vật, gỗ quý hiếm đã bị săn bắn, khai thác cạn kiệt. Ngoài ra, xã Thanh Hoá còn có diện tích đất gò đồi khá lớn, phục vụ cho việc chăn nuôi, phát triển vườn rừng, vườn đồi và trồng cây công nghiệp.

          Nằm trên địa bàn của huyện Tuyên Hoá, thuộc tỉnh Quảng Bình, tuy là xã vùng cao nhưng Thanh Hoá vẫn có khí hậu đặc trưng chung của tỉnh Quảng Bình, đó là khí hậu nhiệt đới gió mùa khắc nghiệt. Sách Đại Nam nhất thống chí cũng đã nói lên đặc trưng đó: “Khí núi và khí biển xen nhau, chợt nắng liền nóng, chợt mưa liền lạnh. Gió núi thường nỗi về ban đêm. Gió biển thường nỗi về mùa hè, mùa thu. Gió Nam nếu thổi từ phương Tây Nam đến thì mạnh và nóng, tục gọi “gió Nam trong”; nếu thổi từ Đông Nam đến thì dịu và mát, tục gọi “gió Nam ngoài”. Tháng 10 sấm rạp, tháng giêng, tháng 2 sấm dậy. Hàng năm, mồng 05 tháng 9, mồng 03 tháng 10 thường có bão lụt”.

          Khí hậu Thanh Hoá có bốn mùa, nhưng thực tế có nhiều năm thường chia làm hai mùa: mùa nóng và mùa lạnh. Mùa lạnh từ tháng 10 đến tháng 3 năm sau, thường có gió mùa Đông Bắc rét buốt; buổi sáng thường có sương mù, sương muối; nhiệt độ xuống thấp trong tháng 11 đến tháng giêng, có năm xuống tới dưới 10oC, mưa ít nên thường hạn hán gây khó khăn cho sản xuất. Mùa nóng bắt đầu từ tháng 4 đến tháng 9, nhiệt độ tăng cao, nhất là tháng 6, tháng 7, có năm lên 41oC, có những đợt khô nóng kéo dài hàng tuần; đây cũng là mùa thường có bão, mưa lớn, gây lụt lội, ngập úng, gây thiệt hại cho mùa màng và tài sản của Nhân dân.

          Về tài nguyên nước tương đối dồi dào, ngoài con sông Gianh như một dải lụa mềm chảy qua, còn có các đập thuỷ lợi: Khe Nung, Khe Hà, Khe Cụi, Cà Xen. các mạch nước tự nhiên chảy từ trong núi ra tạo nên các khe suối như: khe Nung (khe Hương), khe Di, khe Mơi, khe Tháp, khe Loòng, khe Lòng Bạc, khe Nước Dộ, khe Đá Bàn, khe Cây Trổ, khe Hà, khe Cụi... phục vụ cho sản xuất nông nghiệp và cuộc sống của người dân./.