Krajobraz gminy cechuje duże zróżnicowanie form terenowych. Obecne ukształtowanie jest wynikiem zmian i przeobrażeń zachodzących podczas ostatniego zlodowacenia, które zakończyło się około 10 tysięcy lat temu. Przeważa tu falista równina o średnich wysokościach 95 -110 m n.p.m. Jest to obszar rozcięty siecią zagłębień rynnowych ukształtowanych pod wpływem działalności fluwioglacjalnej lądolodu zlodowacenia bałtyckiego. Większość tego typu zagłębień stanowią misy jeziorne, powyżej których położone są wysoczyzny morenowe przybierające tutaj formę ciągów wzgórz.
Stosunkowo niewielki obszar zajmują kompleksy leśne, wśród których dominują lasy sosnowe i mieszane. Mały udział terenów zielonych rekompensują częściowo parki oraz ogródki działkowe.
Gminę przecina równoleżnikowo dolina Noteci, tworząc teren łagodnie pofałdowany, obniżający się w kierunku rzeki. Nazwa Pałuki, do których etnograficznie należy Barcin wywodzi się od łukowatego, czyli pagórkowatego terenu poprzecinanego licznymi jeziorami, wokół których rosną podmokłe łąki zwane łęgami. Również rzeka płynie po terenie bagnistym, obfitującym w starorzecza, łąki i torfowiska. Samo miasto jest położone na terenach o wyraźnie zróżnicowanej morfologii. Północną i południową część miasta stanowi wysoczyzna morenowa płaska i falista. W jego granicach znajduje się dolina Noteci oraz krawędź zboczowa wysoczyzny i częściowo terasy tej rzeki. Równoleżnikowy przebieg przez miasto, usytuowanej w rejonie wschodnio-zachodnim doliny Noteci, z obszarem gruntów podmokłych, wyklucza możliwości jego pełnej zabudowy. Warunki gruntowo-wodne stanowią ograniczenie dla lokalizacji różnych form zabudowy miejskiej. O ile sama wysoczyzna nadaje się pod zabudowę, mniej korzystne są tereny jej zboczy, terasy Noteci wymagające dostosowania zabudowy do spadków terenu.
Najtrudniejsza pod tym względem jest dolina rzeki.
Na terenie gminy Barcin znajdują się dwa rozlewowe jeziora Wolickie i Sadłogowskie zlokalizowane w ciągu rzeki Noteć i fragment jeziora Kierzkowskiego. Jezioro Wolickie charakteryzuje owalny kształt, powierzchnia 243,5 ha przy maksymalnej głębokości 15,4 m. Najgłębszy obszar zajmuje niecałe 10% powierzchni dna, a jego największa część nie przekracza 5 m głębokości. Jezioro Kierzkowskie zajmuje powierzchnię 77,3 ha i osiąga głębokość 23 m, a Sadłogoszcz odpowiednio 72,8 ha i 6 m. Kąpieliska usytuowane są w Pturku i Wolicach.
Rozwój Barcina był i jest ściśle związany z występowaniem na tym terenie pokładów wapienia. Ich eksploatację rozpoczęto w 1860 r. Białe dziedzictwo stanowi trwały element tradycji gminy, a skała wapienna jest ważnym fragmentem historii. Aktywnie działa tu 750 przedsiębiorstw, a wśród nich należący do francuskiego inwestora Lafarge Cement Polska S.A. Zakłady Kujawy w Bielawach.
Teren należy do największego obszaru klimatycznego na terenie Polski tj. środkowowielkopolskiego. Klimat obszaru związany jest z cyrkulacją znad północnego Atlantyku i basenu Morza Śródziemnego,