土默特左旗地处内蒙古高原，地貌类型基本可分为山地和平原两部分。北部为阴山山脉中段的大青山区，总面积1094.33平方公里，海拔1300～2200米；南部为土默川平原，总面积1685.5平方公里，海拔在1000～1100米之间。其地理位置在北纬40°26′～40°56′，东经110°47′～111°48′，东西长87公里，南北宽56公里，辖区总面积2779.83平方公里。

土默特左旗北与武川县相望，南连和林格尔县和托克托县，东接呼和浩特市区，西与土默特右旗毗邻。气候为温带大陆性气候，年平均气温7.2℃，最冷月为1月，月平均气温-11.3℃；最热月为7月，月平均气温 22.8℃。年平均无霜期 133 天。年平均降水量为 379.4毫米，全年降水日约为 50 天。相对湿度较低，年平均湿度为 54%。日照时间较长，年平均日照时数2952.1小时。