Die Ortschaft Catterfeld liegt am nördlichen Rand des Naturraumes „Mittlerer Thüringer Wald“ am Übergang zum Naturraum „Waltershäuser Vorberge“.
Der Thüringer Wald ist ein hochgradig bewaldetes und stark zertaltes Mittelgebirge bis zu einer Höhe von über 900 m ü NN. Das vorgelagerte Berg- und Hügelland ist durch bewaldete Sandstein- und Muschelkalk-Rücken und landwirtschaftlich genutzte Täler geprägt.
Die nah beieinander liegenden Ortslagen Catterfeld und Altenbergen sind allseitig vom Landschaftsschutzgebiet „Thüringer Wald“ umgeben. Der am Südhang auf einer Höhe von 430-480 Meter ü. NN m liegende Ort ist eingebettet in eine Talmulde zwischen den Erhebungen des Ziegelberges (518 m ü. NN) im Norden und dem Gebirgszug des Thüringer Waldes mit dem Rennsteig im Südwesten (u.a. Spießberg 749 m ü. NN).

Die benachbarte Ortschaft Altenbergen schmiegt sich an Catterfeldden gegenüberliegenden Nordhang. Die Ortschaften Altenbergen und Catterfeld sind umgeben von einem zusammenhängenden Grünlandgürtel. Die offene Tallage mit den Dörfern ist allseitig mit ausgedehnten Waldflächen umgeben.
Die Gemarkung Catterfeld umfasst 548 Hektar. Davon werden 365 ha wald- und forstwirtschaftlich genutzt, der Anteil landwirtschaftlicher, fast ausschließlich als Grünland genutzter Flächen liegt bei 120 Hektar. Etwa 40 ha nehmen die Ortslagen mit Verkehrs-, Siedlungs- und Grünflächen ein. 13 ha werden als Gartenland genutzt, der Rest verteilt sich auf Ödland, Wasserflächen und andere Nutzungen. Die landwirtschaftlichen Nutzflächen werden überwiegend von der Thüringer Zuchtgenossenschaft „Rind“ mit Sitz in Ernstroda bewirtschaftet.

Das einzige Fließgewässer in der Ortslage Catterfeld ist der „Sülzegraben“. Er hat seine Quelle an der Kirschallee und wird in der Ortslage durch Schichtenwasser aus den ehemaligen Bergbaustollen gespeist. Der Sülzegraben speist den am südwestlichen Ortsrand liegenden Feuerlöschteich und fließt von hier aus im Tal entlang der B 88 in westliche Richtung bis Engelsbach. Dort mündet er in die Leina. Östlich der Ortslage entspringt ein weiterer Quellbach. Der Bach speist den Feuerlöschteich „Schwemme“ südöstlich der Ortslage, bevor er die B 88 nach Georgenthal quert.
In der Ortslage Catterfeld verläuft die Wasserscheide Weser/Elbe. Der westliche Sülzegraben gehört zum Gewässersystem Werra/Weser, während der östliche Bach Teil des Gewässersystems Elbe ist.