乌兰察布市位于内蒙古自治区中部，东部与河北省接壤，东北部与锡林郭勒盟相邻，南部与山西省相连，西南部与首府呼和浩特毗连，西北部与包头相接，北部与蒙古国交界。
乌兰察布市地貌类型多样，自北向南主要由内蒙古高原、乌兰察布丘陵、阴山山地和丘陵台地四部分组成。属于阴山山脉的大青山东段灰腾梁横亘中部，海拔为1595m至2150m，大青山支脉蛮汉山、马头山、苏木山蜿蜒曲折分布于境内的东南部。习惯上将大青山以南部分称为前山地区，以北部分称为后山地区。前山地区地形复杂、丘陵起伏、沟壑纵横、间有高山，平均海拔1152m至1321m，其中乌兰察布最高点苏木山主峰海拔为2349m。北部丘陵山间盆地相间，有大小不等的平原。最南部为黄土丘陵。
乌兰察布市地处内陆，远离海洋，其气候四季分明，冬寒少雪，春燥多风，夏季凉爽，秋凉多霜。由于阴山山脉的阻隔，形成了前后山地区气候差异较大的南北气候分区，就全市而言，属典型的中温带半干旱大陆性季风气候。四季特征冬季寒冷漫长。受干燥寒冷的蒙古冷高压控制，气温很低。年平均气温在0至6℃之间。冬季寒冷漫长，平均气温在负15℃以下，零下20℃以下的严寒日数平均在47至75天；春季干燥多风，大风日数可达60天；夏季短促湿热，降水集中，平均气温在17至22℃之间；秋季降湿剧烈，霜冻较早，南部地区秋霜偏早的机率在20%，北部地区为43%。年降水量在150至450毫米之间，南部多于北部，东部多于西部。年平均太阳总辐射量为5500至6200兆焦/平方米，大于和等于10℃的积温为2228至3033℃，年平均日照时数为2775至3080小时。