二连浩特市位于自治区正北部，锡林郭勒盟西部，地理坐标北纬42°55′～43°53′，东经111°17′～112°25′，东邻苏尼特左旗，西、南与苏尼特右旗相邻，北与蒙古国扎门乌德市隔界相望。行政区域面积4015.1平方公里。二连浩特市距首都北京690公里，距呼和浩特390公里；距俄罗斯首都莫斯科7623公里，距蒙古首都乌兰巴托714公里，边境线长72.3公里。是中国著名的陆路口岸城市。可通过二连浩特市抵达蒙古国、俄罗斯及东欧各国，被誉为欧亚大陆桥的桥头堡。素有“北疆明珠”“恐龙之乡”的美誉。

二连浩特是亚洲最早发现恐龙及恐龙蛋化石的地区之一，是世界最大的白垩纪恐龙化石埋藏地，境内拥有134平方公里的国家级地质公园。

二连浩特市气候属于温带大陆性季风气候和干旱荒漠草原气候。夏季短暂炎热，冬季漫长寒冷，常年干旱多风，全年盛行西北风及西南风。市境地势平坦，由西南向东北缓缓倾斜，平均海拔932.2米。地表无河流，地下有古河道穿境而过。

全市可利用草地面积33.47万公顷，森林总面积1.65万公顷，森林覆盖率4.12%，耕地总面积80.87公顷。二连浩特市矿产主要有石油、芒硝、萤石、原盐及天然碱、石膏等。野生植物主要有灌木、半灌木植物和草本植物40余种，分属18科、35属。主要植物有戈壁针茅、小针茅、无芒隐子草、女蒿、冷蒿、沙生冰草、沙蒿、芨芨草、苔草、白刺、针茅、沙葱等。其中常见的药用植物有麻黄、补血草、苁蓉等。二连浩特市有丰富的风能、光能资源。70米高空年平均风速7.3～7.4米/秒、太阳能地表年总辐射约1698千瓦时/平方米，风资源有效风速小时数7980小时，年可利用小时数约2720小时；光伏资源年日照时数约3278小时，年等效利用小时数约2500小时。