Yapılan arkeolojik araştırmalardan elde edilen prehistorik eserler, Elmadağ ve çevresinin çok eski medeniyetlere sahne olduğunu göstermektedir.. Bu araştırmalara göre M.Ö. 547’ye kadar Frigler ve Lidyalılar, M.Ö.84’e kadar Persler ve değişik kavimlerin varlıklarını sürdürdüğü yöre bu tarihten sonra Roma İmparatorluğunun eline geçmiştir. 1071 Malazgirt savaşından sonra Anadolu’ya yerleşmeye başlayan Türkler 1073’ten sonra yörede etkin olmuşlardır. Anadolu’ya yapılan Moğol saldırılarından da nasibini alan yöre Moğol İmparatoru Boycu Noyan komutasındaki Moğol ordusu tarafından yakılıp yıkılmıştır.
Denizden yüksekliği 1135 m. olan ve oldukça arızalı bir topografyaya sahip olan ilçemizin batısı kısmen düzlüktür. Her tarafından derin vadilerle yarılmış yaylalar üzerinde aşınmış tepeler ve sırtlar yer alır. Güney batısında 1862 m. yüksekliğe sahip Elmadağ, kuzeyinde ise 1995 m. yüksekliğinde kütle halinde İdris Dağı bulunur. İlçeyi boydan boya geçenek akan ve kuzeyde Kızılırmak ile birleşen Kargalı Deresi kar ve yağmur suları ile beslenen düzensiz bir rejime sahip bir akarsudur.
İlçemiz Perme-Trias yaşlı kalkerlerle, plosen formasyonları üzerinde yer alır. Bu alanın büyük bir kısmı mermerleşmiş beyaz kalker ile kaplıdır. Bazı kısımlarında ince kil tabakaları bulunur. Kalker tabakaları doğuda ve güneyde; yüzeyde görülürken batıya gidildikçe üzeri örtü tabakaları ile kaplıdır.Kargalı deresi çevresinde dar bir şerit halinde kalınlığı fazla olmayan alivyal topraklar yer alır. Kuzeybatısında plosene ait kırmızımsı esmer renkli killi seriler bulunur.
Yöre kışları soğuk ve sert geçen karasal iklimin etkisi altındadır. Yüksek ve dağlarla çevrili olması sebebiyle gece-gündüz ve yaz-kış sıcaklıkları arasında büyük farklılıklar görülür.
Kar yağışları Kasım ayında başlayıp Nisan ayına kadar sürer. En fazla yağış Ocak ayında görülür. Sonbahar mevsiminin son aylarında sis vardır. Rüzgar her yönden esse de Güneydoğu yönünden esen rüzgar daha etkilidir.