【位置】吕梁市位于山西省西部，北纬36°43′～38°43′，东经110°22′～112°19′，西隔黄河与陕北相望，东临汾水与晋中为邻，北与忻州接壤，南与临汾毗邻。吕梁市因吕梁山脉纵贯南北而得名。
【面积】吕梁市东西最大宽度140千米，南北最大距离220千米，周边界线总长954.3千米。境域总面积2.1万平方千米，占山西省总面积的13.5%。
【地质】吕梁在地质构造属演化过程中华北地台的一部分。中生代的燕山运动形成山西台背斜的地廓后，吕梁复背斜基本定型；新生代第三纪的喜马拉雅运动影响本区，形成汾河地堑；下更新世，形成现代的河川二级阶地和丘陵区的梁峁沟壑地貌。
境内地层发育较为齐全，除缺失奥陶系上统、志留系、泥盆系、白垩系、地层外，其余各种地层均有出露。出露地层依次为：中太古界界河口群，上太古界吕梁群，下元古界岚河群、野鸡山群、黑茶山群，中上元古界下统汉高山群，古生界寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系，中生界三叠系、侏罗系，新生界第三系、第四系等。
基底地质构造分别为前五台构造层、五台构造层、吕梁构造层。前五台期构造表现于岚县界河口至临县务周会一带出露的界河口群，在柳林上白霜、中阳柏洼山、交口长树山、西榆皮等地也有出露。五台期构造主要分布于中北部方山县开府、马坊一带以东，岚县袁家村以南，方山县周家沟以西，交城横尖以北地区。吕梁构造层主要是岚河群、野鸡山群、黑茶山群不对称褶皱带，该褶皱带主要分布于吕梁山中北部，即方山至野鸡山一带及两侧地带。境内岩浆分布较广，并且与主要金属矿藏有着直接关系。主要散布于山区以及西部黄土丘陵区的突出山岭地带,如临县紫金山、交城县狐偃山等地。
【地貌】吕梁地貌属晋西黄土高原的一部分。地势北高南低，至东北方向西南倾斜，一般海拔在1000米至2000米，最高海拔关帝山主峰2831米，最低点在石楼县和合乡崖头村黄河岸，海拔556米，相对高差2275米，市区海拔920米至940米。
地貌大致可分为中山区、丘陵区、平川区三种类型。中山区海拔1500米以上，区内奇峰突立，挺拔险峻，沟壑纵横，分布着众多小山川，植被覆盖较好，包括岚县、方山、离石、中阳、交口五县（区）和汾阳、孝义、文水、交城四县（市）的山区部分。丘陵海拔900米至1500米，黄土覆盖广，厚度大，地形破碎，坡陡沟深，平地较少，植被稀少，水土流失严重，包括黄河沿岸的兴县、临县、柳林、石楼四县。平川区海拔740米至800米，地势平坦，土壤肥沃，水源充足，适宜发展现代立体化种植业，包括汾河沿岸交城、文水、汾阳、孝义4县(市)。
【气候】吕梁市属大陆性季风气候，具有四季分明、雨热同步、光照充足的特点。
季节气候特点：春季（3月至5月）温度变化急剧，气候干燥，少雨多风。3月份平均气温3℃左右，但极端最低气温仍可达-19℃；5月份平均气温升至17℃，极端最高气温可达32℃至39℃左右，当冷空气入侵时，最低气温可降至0℃以下。该季降水量一般为年降水量的15%左右，干旱是主要灾害性天气。夏季（6月至8月）温度较高，雨量集中，多有雷阵雨天气。7月份平均气温为23℃左右，年极端最高气温多数出现在6月中、下旬。该季降水量一般为年降水量的60%左右，大雨、暴雨多集中在7月至8月，其间易发生洪涝灾害。秋季（9月至11月）气温迅速下降，气候凉爽，秋初多连阴雨天气。9月份平均气温为16℃左右，季末极端最低气温可降至-17℃至-24℃。该季降水量一般为年降水量的30%左右，2007年连阴雨日数曾长达半月以上。冬季（12月至次年2月）气候寒冷，降雪稀少。极端最低气温多出现在该季，高寒山区可达-30℃以下。该季降水量一般为年降水量的3%左右。区域气候特点：北部四县（岚县、方山县、兴县、临县）十年九旱，主要灾害为干旱、冰雹，年降水量460毫米至500毫米，年平均气温7℃至9℃。中南部山区5县（区）（离石区、中阳县、柳林县、交口县、石楼县）十年九旱，主要灾害为干旱、冰雹，年降水量460毫米至561毫米，年均气温7℃至11℃。平川四县（市）（汾阳市、孝义市、交城县、文水县）年降水量420毫米至460毫米，年平均气温10℃至11℃。
日照：日照时数较长，太阳辐射较强，年均日照时数2487小时至2872小时，其中最少为2200小时/年，最多为3280小时/年。一年之中5月至6月日照时间最长，11月至次年2月日照时间最短。
太阳辐射：年均太阳总辐射量131千卡/平方厘米至151千卡/平方厘米，全年生理辐射量62千卡/平方厘米至74千卡/平方厘米。5月至6月太阳辐射最强，11月至次年2月太阳辐射最弱。
气温：年均气温9℃左右，1月份平均气温-10℃至-5℃，7月份平均气温19℃至24℃。极端最低温度-33.0℃，极端最高气温41℃。
降水：年均降水量仅472毫米，且降水季节分配很不均衡，主要集中在7、8、9月，年际变化较大。
无霜期：无霜期为133天至178天，初霜日期9月24日至10月15日，终霜日期3月19日至4月24日。
资源
【土地资源】全市土地总面积21211平方千米，其中东部平川面积169000公顷，占8 %；西部黄土高原丘陵区面积974000公顷，占45.9 %；中部土石山区面积978100公顷，占46.1 %。
【矿产资源】吕梁探明40多种矿产资源，煤、铁、铝资源储量大、品位高。全市含煤面积1.14万平方千米，占总面积的54.3 %，保有储量420多亿吨，其中主要产于吕梁，被誉为“国宝”的4号主焦煤储量达114亿吨。铁矿石保有储量13亿吨，占全省的34.6 %；铝土矿保有储量6.49亿吨，占全省的45.7 %。
【水资源】吕梁市年均水资源总量为14.47亿立方米，其中，河川径流量为11.1亿立方米，地下水资源量为8.9亿立方米。