乌兰察布市地形自北向南由蒙古高原、乌兰察布丘陵、阴山山脉、黄土丘陵四部分组成。阴山山脉的支脉大青山，灰腾梁横亘中部，海拔为1 　595m　 ～2 　150m　，最高峰达2 　271m　，灰腾梁最高海拔2 　118m　。支脉蛮汉山、马头山、苏木山蜿蜒曲折分布于境内的东南部。习惯上将大青山以南部分称为前山地区，以北部分称为后山地区。前山地区地形复杂、丘陵起伏、沟壑纵横、间有高山，平均海拔1 152m～1 　321m　，其中乌兰察布最高点苏木山主峰海拔为　2349m　。北部丘陵山间盆地相间，有大小不等的平原。最南部为黄土丘陵。前山地区的旗县市区有：集宁区、卓资县、兴和县、丰镇市、察哈尔右翼前旗、凉城县。后山地区为乌兰察布市丘陵地带，地势南高北低，平均海拔865m～1 　489m　。后山地区南部底质多为岩石，表面覆盖，是比较平坦的天然大草原。后山地区旗县有四子王旗、察哈尔右翼中旗、察哈尔右翼后旗、商都县、化德县。　　

乌兰察布市地处中温带，属大陆性季风气候四季特征明显。因大青山横亘中部的分隔，形成了前山地区比较温暖，雨量较多，后山地区是多风的特殊气候。年平均降水量150㎜～450㎜，雨量集中在每年七、八、九月份。年平均气温一般在0℃～18℃之间，无霜期95天～145天。灰腾梁地区气温最低，一般全年在1℃以下。