通辽市位于自治区东部，大兴安岭南麓，科尔沁草原腹地，东与吉林省接壤，南与辽宁省毗邻，西与内蒙古赤峰市、锡林郭勒盟交界，北与兴安盟相连。总面积59535平方公里，南北长约418公里，东西宽约370公里。

通辽市南、北部地势高，而中部地势低平，整体呈马鞍形。北部为大兴安岭南麓余脉的石质山地丘陵，中部为西辽河流域沙质冲积平原，南部为辽西山地边缘的浅山、黄土丘陵区。通辽市地处中纬度，属中温带、干旱和半干旱、大陆性季风气候，春季干旱大风多，夏季炎热降雨集中，秋季凉爽短促、气温下降快、霜冻北早南晚，冬季漫长少雪寒冷。全市水系由西辽河水系、柳河水系、大凌河水系、嫩江水系及东辽河组成，流域面积在100平方公里以上的河流有47条，属辽河流域的38条，属松花江流域的3条，属大凌河流域的5条，属内陆河1条。从水文地理特征上看，全市河流划分为北部山区河流，中部平原区河流和南部浅山丘陵区河流三个部分。

境内野生植物种类繁多，资源丰富。有野生植物112科446属1165种，野生动物31目65科185种。爬行动物有沙蜥、麻蜥和蛇等，鸟类有大鸨、毛腿沙鸡、蒙古百灵和画眉等，食草动物有狍、东北鹿、梅花鹿、青羊、野猪等，食肉动物有狼、赤狐、黄鼬等。有国家一级保护动物丹顶鹤、白鹳、鸨、梅花鹿、紫貂5种；国家二级保护动物灰鹤、蓑羽鹤、鸳鸯、天鹅、猞猁、马鹿、黄羊等近30种。全市境内已探明煤炭、石油、硅砂等矿产52种，还有储量不等的钨、铁金属矿及麦饭石、萤石、叶蜡石、石墨、大理石、花岗岩石材等非金属矿。