鄂尔多斯位于内蒙古自治区西南部，地处鄂尔多斯高原腹地，介于北纬37°35′24″～40°51′40″，东经106°42′40″～111°27′20″之间，东、南、西与晋、陕、宁接壤，东部、北部和西部分别与呼和浩特市、山西省忻州市，包头市、巴彦淖尔市、乌海市，宁夏回族自治区、阿拉善盟隔河相望；南部与陕西省榆林市接壤。东西长约400公里，南北宽约340公里，总面积86752平方公里。 

鄂尔多斯市自然地理环境的显著特点是，起伏不平，西北高东南低，地形复杂，东北西三面被黄河环绕，南与黄土高原相连。地貌类型多样，有芳草如茵的草原和开阔坦荡的波状高原；鄂尔多斯市境内五大类型地貌，平原约占总土地面积的4.33%，丘陵山区约占总土地面积的18.91%，波状高原约占总土地面积的28.81%，毛乌素沙地约占总土地面积的28.78%，库布其沙漠约占总土地面积的19.17%。 
北部黄河冲积平原区总面积约5000平方公里，占鄂尔多斯市总土地面积的6%，分布于杭锦旗、达拉特旗、准格尔旗沿黄河23个乡、镇、苏木内。成因和地质构造与整个河套平原相同，同属沉降型的窄长地堑盆地。现代地貌主要是由洪积和黄河挟带的泥沙带的泥沙等物沉积而成。海拔高度1000～1100米，地势平坦，水热条件极好。该地区土壤类型可分为草甸土、沼泽土、盐碱土、风沙土四个类型，其中以草甸土为主。草甸土是该区土壤中质地与生产性能良好的土壤。 

鄂尔多斯高原
东部丘陵沟壑区分布于鄂尔多斯市、伊金霍洛旗、准格尔旗和达拉特旗南部，海拔高度为1300－1500米，面积约2.6万平方公里，占鄂尔多斯市总土地面积的30%。该区属鄂尔多斯沉降构造盆地的中部，地表侵蚀强烈，冲沟发育，水土流失严重，局部地区基 岩裸露，是典型的丘陵沟壑区。土壤种类以栗钙土为主，大多不宜耕作，属宜林宜牧地区。


中部库布其、毛乌素沙区，库布其、毛乌素两大沙漠，位于鄂尔多斯市中部，库布其沙漠北临黄河平原，呈东西条带状分布。毛乌素沙漠地处鄂尔多斯市腹地，分布于鄂托克旗、鄂托克前旗、伊金霍洛旗部分和乌审旗。两大沙区总面积约3.5万平方公里，占鄂尔多斯市总面积的40%左右，其中库布其沙漠面积为1万多平方公里、毛乌素沙漠2.5万平方公里。这一地区大多为固定半固定沙丘，流动性的新月型沙丘及沙丘链极少。 

西部坡状高原区位于鄂尔多斯市西部，包括鄂托克旗大部和鄂托克前旗、杭锦旗的部分，总面积约2.1万平方公里，占鄂尔多斯市总面积的24%以上。该区地势平坦，起伏不大，海拔高度1300～1500米。这里气候较为干旱，降雨稀少，年平均降水量在200毫米左右，属典型的半荒漠草原。土壤成分以钙土为主，部分地区也有不少风积沙，植被以野生植物为主，是发展草原畜牧业的地方。 
鄂尔多斯属北温带半干旱大陆性气候区，冬夏寒暑变化大。多年平均气温6.2℃，日最高气温38℃，日最低气温-31.4℃。多年平均降水348.3毫米，降水多集中于7、8、9三个月，占全年降水量的70%左右。多年平均蒸发量2506.3毫米，为降水量的7.2倍，以5～7月份为最大。全年多盛行西风及北偏西风，年平均风速3.6米/秒，最大风速可达22米/秒，最大风速的风压0.6千牛/平方米。