镶黄旗位于锡林郭勒盟西南部，北纬41°56′～42°45′，东经113°30′～114°45′。南与乌兰察布市化德县、商都县交界，东北部与正镶白旗、苏尼特左旗毗邻，西部与苏尼特右旗接壤。南北长89公里，东西宽113公里，总面积5172平方公里，草牧场占总面积的97.68%。

镶黄旗北部为波状起伏的高原，南部为起伏较大的丘陵和盆地。旗东北部草原上的覆沙地带，属浑善达克沙地西南缘。全旗所处高度1255～1648米，相对高差500米，由东南向西北递减，总比降6%。地貌按成因和形态可划分为低山丘陵、缓坡丘陵、山间盆地、丘间沟谷洼地、波状高原、沙地。一般季节河道干涸，只有雨季和融化期才有水流。镶黄旗属中温带半干旱大陆性季风气候，日照时间长，光能充足，水热同季，气温变化剧烈，温差大。冬季漫长寒冷，夏季较炎热，无霜期短，降水量偏少且分布不均。风多风大，气候干燥。

矿产资源丰富，现已探明29个矿种60余个矿点，主要有花岗岩、煤、石灰石、石油、金、银、铜、铁、钨、水晶、萤石、芒硝、铀等。植物资源有国家保护树种乔木、杜松等野生林木17科42种，有羊草、冰草、多根葱、克氏针茅等优质高产牧草十几种，盛产麻黄草、甘草、车前子、益母草、青蒿等几十种草木药材。野生动物主要有赤狐、沙狐、草兔、刺猬等。