位置
大同市位于山西省最北端，东经112°34′——114°33′，北纬39°03′——40°44′。北以外长城为界，与内蒙古自治区乌兰察布市的兴和县、丰镇市、凉城县毗邻，西、南与本省朔州市的右玉县、怀仁县、应县及忻州市的繁峙县相连，东与河北省张家口市的怀安县、阳原县、蔚县及保定市的涞源县、阜平县接，公路里程距北京约330公里、太原约290公里、呼和浩特约300公里；为首都之屏障、全晋北方之门户，且扼晋、冀、内蒙之咽喉要道，是历代兵家必争之地。大同市全境总面积14176平方千米，市区面积2080平方千米，建成区108平方千米（2010年）。
地貌
大同处于华北地台的山西台背斜与阴山隆起的交接部位。北为北口隆地，西南为大同──静乐凹陷，东南为桑干河新断陷。该区域在多期的地壳构造变动中形成了一系列的构造形迹，尤其以燕山运动和喜马拉雅山运动的影响最为明显，新构造运动相当发育、地震活动也较为频繁。东部为著名的世界地质奇观大同火山群，与云南腾冲构成南北两大火山群。在地貌构成上，大同的山地面积为278平方公里，占总面积的13.4%；丘陵面积为1177平方公里，占总面积的56.6%；平川面积为626平方公里，仅占总面积的30%。其中，山地、丘陵主要集中于西、北及东北部地区，而平川区位于东南部。这就构成了大同市西北高、东南低，地形由西北向东南倾斜的主要特征。大同地理环境处于南下阴山、东来燕山、北上吕梁山、太行山北方四大山脉的交叉通道，是大雁为首的中部鸟类南迁通道。西北部山脉属阴山山脉和吕梁山脉，主要有白登山、双山、二朗山、云门山、采凉山等；东南部山脉属太行山脉，主要有恒山、太白山、六棱山等。全市一般海拔在1000～1500米之间，最高处为阳高县境内六棱山黄羊尖（海拔2420米），最低处为灵丘县境内花塔村冉河出口处（海拔558米）。桑干河自西南向东北横贯全市，形成了周围高、中间低、两山夹一川的槽型盆地。除桑干河外，境内主要河流还有属海河水系的御河、南洋河、壶流河、唐河和属黄河水系的苍头河。
气候
大同地处温带大陆性季风气候区，受季风影响，四季鲜明。春季气温回升很快，平均气温6.5~9.1℃，总是乍暖还寒，多大风，降雨较少，平均降水量仅为56.1mm，占年降水量的14.6%。夏季气候温和，平均气温在19~21.8℃之间，雨水集中，平均降水量为246.9mm，占全年降水量的64.3%。秋季来临后气温逐渐下降，平均气温在5.8~8.4℃之间，平均降水量为72.96mm，占全年降水量的19%。冬季较春夏秋三季漫长，长达四个多月，盛行西北风，日短天寒。平均气温在-12.8~-6.3℃之间，最冷月为1月份，平均气温是-11.3℃。平均降水量为8.06mm，占全年降水量的2.1%。大同市气候干寒多风，温差较大，年均气温6.4℃，一月零下11.8℃。最低温度零下29.2℃，七月平均气温21.9℃，年降水量400至500毫米，初霜期为九月下旬，无霜期125天左右。
水文
大同境内主要河流有御河、十里河、口泉河、淤泥河。雨季河水暴涨，平时水量极少，但仍然给北京供水，较大水库有册田水库、赵家窑水库、石家寨水库（文瀛湖）。城区和矿区水源相对充足，山区部分乡村饮水困难。
