地处华北平原与蒙古高原过渡带，阴山余脉与恒山余脉复合处。境内南北环山，桑干河自西向东横贯全境，呈两山夹一川的狭长盆地。海拔最高点2045.9米，最低点778米，平均海拔。

阳原盆地基本属东亚大陆性季风气候，四季分明，春季少雨，夏季雨热同季，秋季天高气爽，冬季寒冷干燥，昼夜温差大，小气候特征明显。年平均气温7.7℃，七月气温22.7℃，一月气温－10.2℃，年均温差33.4℃，稳定通过10℃以上积温3125℃。日照充足，年均日照总时数为2842.4小时，年总辐射140.6千卡/平方厘米。作物生长期适中，平均全年无霜冻日期136天，年均降水量364.6毫米。

初步探明，阳原盆地有矿藏55种，矿点178个。主要有煤、石灰石、大理石、玄武岩、沸石、膨润土、玛瑙、磷、铁、铝、锰、铜、钼、石墨等。其中原煤总储量4.27亿吨，主要是烟煤、常烟煤和褐煤，发热量达6200—7200千卡，且煤层浅、易开采；石灰石预测储量达10亿吨以上，其中具有开采价值的约5亿吨；磷储量，C1级6051.1万吨，含P2O52.38%，折矿480万吨；C2级11701.5万吨，含P2O52.64%，折矿1070.3万吨，是华北地区最大的低品位磷矿；赤铁、磁铁储量320万吨；膨润土总储量3200多万吨，是国内罕见的一种优质膨润土；石墨储量3000万立方米，可全部露天开采；铁锌钼储量2118万吨；优质矿泉水5处，水温43.5℃，内含10多种对人体有益的微量元素，可作为饮用、医疗和洗浴矿泉水综合开发利用。

境内的泥河湾地层，是中国和世界进行第四纪地层对比的标准剖面。泥河湾层是包括早更新世、中更新世和晚更新世的跨时代地层，记录了200—300万年来泥河湾古湖变迁的完整过程。地层中饱含着古湖时期的动植物化石古人类活动的遗迹，形成了一个“天然博物馆”，是研究我国古人类、古地理、古气候、古生物及新构造运动学的宝地，在国际地质界和考古界享有盛誉，尤其是在世界早期人类起源研究上具有十分重要的意义。对泥河湾的系统研究形成了一门独特的文化现象—泥河湾文化。从上世纪七十年代开始，我国地质和考古工作者相继进行了大规模的发掘和研究，已发现早期文化遗存的遗址80多处，其中100万年以上的就有25处，全国共30处。马圈沟遗址是迄今为止包括中国在内的东亚地区发现的、最早的具有确切地层的人类活动遗址。泥河湾被誉为“人类的东方故乡”，泥河湾遗址群于2001年6月25日被国务院批准为国家级重点文物保护单位，2002年7月2日被国务院批准为国家级自然保护区，2005年10月被列入国家“十一·五”大遗址保护项目，在全国100处大遗址保护项目中排列36位，在全省排第一位。