扎兰屯市位于呼伦贝尔市境南部，大兴安岭南麓，雅鲁河下游。东以音河为界与阿荣旗为邻，东南及南以金界壕为界与黑龙江省甘南、龙江二县及扎赉特旗接壤，西及西北以哈玛尔山和莫克河为界与科尔沁右翼前旗、鄂温克族自治旗相连，北以阿木牛河为界与牙克石市作伴。全市总面积16926.3平方公里。

扎兰屯市属中温带大陆性半温润气候区，气候特点是日照丰富，太阳辐射较强；热量不足，温度年较差和日较差都大，积温有效性高；下半年降水充沛，变率大，集中在夏季。冬季漫长干冷，春季降水少、变率大、升温快，夏季短促、雨热同季，秋季初霜早、降温快。市境具有丰富的光热和风能资源。日照时间较长，年均日照时间累计2816小时以上，无霜期年均123天。春秋两季风多且大，年均大风日数13.6天，平均风速2.9米/秒，主导风向是西北风和北风。

扎兰屯市处于大兴安岭隆起带中段东缘、松辽沉降带北带西侧，地层发育较为齐全，自古生界至新生界均有出露。地质构造较为复杂，蒙古弧型构造体系与东西向构造体系交汇，后期又迭加新华夏构造体系。境内地势西高东低，北高南低。地貌形态主要有山地（中山、低山）、丘陵、平原和河谷4种地形单元。