多伦县位于锡林郭勒盟东南端，东南与河北围场、丰宁、沽源交界，西北与锡林郭勒盟正蓝旗、赤峰市克什克腾接壤，是中国北方农牧交错带典型的农牧交错区。县境地处阴山山脉、大兴安岭余脉和浑善达克沙地的交汇处，是滦河的源头。地理坐标北纬41°46′～42°36′，东经115°51′～116°54′。全县总面积3863平方公里。中共多伦县委员会、多伦县人民政府所在地多伦淖尔镇，距北京360公里，距呼和浩特市547公里，距锡林浩特市289公里。

多伦县海拔高度1150～1800米，平均高度1350米。年均气温1.6℃，降水量385.5毫米，蒸发量1748毫米，风速3.6米/秒。据地质学家考证，多伦县城驻地是世界上现有较大的环形陨石坑，存有百余座火山口，现已发现的火山锥遗址距今已有2万余年，形成了复杂的地质结构和独特的自然风貌。境内有较丰富的水利资源。全县地表平均径流量1.343亿立方米，地下总储量约3.73亿立方米，境内有常年性河流47条，湖泊62个，主要河流有闪电河、吐力根河、黑风河、上都河，各河均汇入外流水系的滦河。滦河经该县75公里，在滦河干流上建有装机1260千瓦、库容8000万立方米的大河口水电站和装机4000千瓦、库容1.2亿立方米的西山湾水利枢纽工程。