乌海市是36亿年前鄂尔多斯古大陆的一部分，系古地中海浸区经第三次喜马拉雅山隆起而成，历经沧海桑田，逐渐形成了现在的“三山两谷一条河”的基本地形地貌特征。东部是绵延百里的桌子山，构成了乌海黄河谷底与东部鄂尔多斯高原之间的一道天然屏障，山势雄伟，峰峦迭起，其主峰海拔2149.4米。中部为巍蛾险峻的甘德尔山，蒙古语意为“哈达”，山体北窄南宽，全长24公里。其北端的蒙古山海拔1805.2米，山峰尖峭，状如锥体，直插云霄；其南部的奇峡谷有“一线天”之称，景色独特。西部为五虎山，主峰海拔1396.4米。因山势奇特，形似五虎而得名。各山体均属贺兰山脉的北端余脉，三山呈南北走向平行排列，中间形成两条平坦的谷地。黄河沿甘德尔山西谷流经市区，阻断乌兰布和沙漠进入河套地区。

全市海拔平均高度为1150米。地势东西两边高、中间低。按植被和土壤区划属于蒙新半荒漠地带，域内地貌分为四大类：构造侵蚀中低山地占全市总面积的40%，剥蚀丘陵区占全市总面积的20%，山前堆积冲洪积扇区占全市总面积的30%，黄河冲积堆积阶地占全市总面积的10%。乌海市位于中纬度的内陆地区，常年受极地气团和海洋气团的交替影响，属于典型的温带大陆性气候，其气候特征是冬季少雪，春季干旱，夏季炎热高温，秋季气温剧降。年平均气温9.6℃,极端最高气温40.2℃，极端最低气温-36.6℃,年平均日照时间数为3138.6小时，年平均接受太阳辐射能155.8千卡/平方厘米，平均无霜期为156~165天；年平均降水量159.8毫米，平均相对湿度42%,平均蒸发量3289毫米;年平均风速2.9米/秒，瞬间最大风速33米/秒。乌海市春秋季短，冬夏季长，昼夜温差大，日照时间长，可见光照资源丰富，是发展种养业及高效农业光热资源最充足、最理想的地区之一，所有北方的农作物都适宜在这里种植，而且产高质优。经过建市三十多年的发展，如今的乌海可以用五个美誉来形容，即黄河明珠、书法之城、沙漠绿洲、葡萄之乡、赏石之城。