La grande majorité du terroir de Châteauneuf-du-Pape, principalement sur les hautes terrasses des Atouts, est constitué de terrasses alluvionnaires où des galets de quartzite roulés par le Rhône, se sont englués dans une matrice rouge d'argile décomposée. Les gros galets qui recouvrent le sol restituent aux raisins durant la nuit la chaleur qu'ils ont emmagasiné le jour.
Avec des composantes argileuses et argilo-calcaires sur certains terroirs.il est composé de trois types de sols : • galets roulés, • terres graveleuses, • sols sablonneux
Dans la pratique, il n'y a pas de terroirs meilleurs que d'autres dans la mesure où chaque sol donne de très belles réussites viticoles. La qualité du terroir de Châteauneuf-du-Pape viendrait plus du sous-sol que du sol : celui-ci est essentiellement composé de molasse burdigalienne

Le climat est de type méditerranéen avec plus de 100 jours de mistral par an et se caractérise par un rythme à quatre temps : deux saisons sèches (une brève en hiver, une très longue et accentuée en été), deux saisons pluvieuses, en automne (pluies abondantes et brutales) et au printemps.
La commune de Châteauneuf-du-Pape dépend du centre météorologique d'Orange
| |à Orange |Vaucluse |moyenne nationale |
|Ensoleillement |2 595 h/an |2 800 h/an |1 973 h/an |
|Pluie |693 mm/an |700 mm/an (sur 80 jours) |770 mm/an |
|Neige |4 j/an | |14 j/an |
|Vent | |110 j/an essentiellement du Mistral | |
|Orage |23 j/an | |22 j/an |
|Brouillard |31