Le colline di Montalcino, essendo state formate in epoche geologiche diverse, presentano caratteristiche del suolo estremamente variabili, sia nella costituzione che nella struttura. Le aree più basse sono costituite da terreno creato dal deposito di materiale allubiale con uno strato attivo che è profondo e abbastanza sciolto, risalente al periodo quaternario. Più in salita, il terreno, arricchito da materiale fossile, presenta uno strato di terreno formato dalla decomposizione dell'antica roccia, in particolare di marna e calcare. I terreni sono moderatamente sabbiosi, ricchi di calce, mescolati con aree di terreno vulcanico, ma tendenzialmente sottili.
Il clima è tipicamente mediterraneo con precipitazioni concentrate nei mesi di maggio, ottobre e novembre. In inverno, la neve si trova sopra un'altitudine di 400 metri. Il Monte Amiata (1.700 metri) a sud-est rappresenta una barriera naturale che protegge Montalcino dalla maggior parte delle avversità climatiche come acquazzoni improvvisi e tempeste di grandine. La striscia della collina di moderata altitudine, dove si trova la maggior parte delle tenute vinicole, non è influenzata da nebbia, ghiaccio o gelo tardivo come le valli circostanti, mentre i venti normali e persistenti assicurano le migliori condizioni per la salute di Le piante.
Il clima fondamentalmente mite e il gran numero di giorni di clima sereno durante l'intero ciclo vegetativo assicurano la graduale e completa maturazione dei grappoli. L'esistenza nel territorio di pendii con diversi orientamenti, le pronunciate modulazioni delle colline e la disparità tra le aree basse e i quartieri più alti, producono microclimi che sono diversi nonostante la relativa compattezza dell'area.