库伦旗位于通辽市境西南部，燕山北部山地向科尔沁沙地过渡的地段。东邻内蒙古通辽市科尔沁左翼后旗，南与辽宁省阜新蒙古族自治县、彰武县交界，西、北与通辽市奈曼旗毗连。旗境长约185公里，宽约150公里，面积4645平方公里。

库伦旗境内南部低山连亘，中部丘陵起伏，北部沙丘连绵，属温带大陆性气候，春季少雨多风，夏季温热多雨，秋季凉爽短促，冬季寒冷漫长。库伦旗境内有养畜牧、铁牛、厚很、查干等4条较大河流，共21条支流。其中查干河为内陆河，其余均属辽河水系。河流总长217公里，流域面积2549平方公里，平均流径深94.50毫米，年径流量2.538亿立方米。

库伦旗养畜牧河以南属山地干草原植被，植被具有混合的性质，兼有山地和草原所特有的植物。在低山、丘陵顶部有第三纪残留植物酸枣、荆等灌丛，山麓地带则有本氏针茅、百里香群落分布，明显地呈现山地植被向草原植被的过渡。库伦旗有木本植物32科60属101种，其中乡土树种67种，外地引进34种，人工栽培50种，自然野生51种。野生草本植物55科183属270种，其中药用植物约120余种。