広島県山県郡安芸太田町の太田川上流の支流柴木川にある長さ約16キロメートルの峡谷。国の特別名勝。県北東部の帝釈峡と並び渓谷美を争い、匹見峡、寂地峡とともに西中国山地国定公園の代表的景観。

一帯は石英斑岩からなり、長年の浸食によって節理が刻まれ、断層が露出している。比高は400メートルあり、その間に、名称の由来にもなった落差30メートルの三段滝をハイライトに、黒淵、猿飛の滝、二段滝、三ツ滝、龍門の滝があり、5つの滝と2つの淵が七景として知られる。他に長淵、大淵といった滝壺の跡、耶源、王城など無数の景勝地が連なる。
これらの景観は軽装でも気軽に散策できるように遊歩道が設けられている。これは三段峡が名勝に指定された時に、観光整備したためである。このときの開発は環境に極力配慮したため、ほとんど自然環境を損なうことはなかった。しかし、柴木川の最上流に樽床ダムが建設されてからは水量が減少し、以前ほど滝の迫力がなくなったと言われている。また、一帯には国有林も多く、伐採の対象となっており、その環境問題が懸念されている。
なお、柴木川の支流田代川を更に上流に行くと全く手付かずの秘境である奥三段峡がある。遊歩道など観光設備が整備されていないため、本格的なトレッキングの準備が必要である。