集宁区处于阴山山脉东端南麓，黄旗海盆地。地形起伏较大，南部地势较平，总体属丘陵区，整个地形呈西高东低，北高南低，地质岩层较简单。相应的地貌有：低山丘陵、高平台地、倾斜平原、河谷凹地四种基本类型。  
   集宁区地质结构决定了其地貌为低山丘陵区，因此在这里的山势都不高，一般在1440米-1497米之间。
   集宁区土壤质地，壤质土占93.7%，在壤质地中砂壤占多数，粘质土仅占1.65%。不同质地土壤的壤质、粘质、沙质所占比例分别为：栗钙土75%、1.65%、18.7%；棕钙土50%、4.1%、34.1%；灰色森林土77%、15.8%、1.9%；山地草甸土74.4%、12.5%、13%。因此集宁土壤质地是以沙壤土为主，其次为轻土壤。土壤状况是，粒状结构60%，团粒状结构为0.83%。
    集宁区植被类型包括草原植被、荒漠植被、山地灌丛植被。

   集宁区处于东亚中纬度大陆性季风气候区内，地形成低山丘陵区，大陆性气候显著，且兼有山地、高原气候的若干特征，形成极为复杂的天候现象。由于常受西伯利亚冷空气的侵袭，冬季较为寒冷。其基本特点是：气温变化急剧，忽冷忽热，昼夜温差悬殊；风强而频繁，春季更为严重；降水量少，雨季多集中在7-8月份；冬季长而夏季短；是典型的大陆性气候特征，同时受东亚季风影响和山地丘陵区地形影响，冬季属非典型季风区，即夏季多偏东风，冬季多西北风。
   集宁环境优美，夏季平均气温21℃，气候清爽宜人，全年空气质量优良天数达到300天以上，是旅游度假、休闲避暑的胜地，2015年被中国气象协会正式授予“中国草原避暑之都”。四季光照充足，气候冷凉，昼夜温差大，适宜冷凉蔬菜生长，生产的冷凉蔬菜口感好、品质高、耐储藏，并在北京市场占有一席之地。特别是近年来，大力实施“三山两河”（老虎山、白泉山、卧龙山、霸王河、泉玉岭河）生态建设工程，“显山、露水、透绿”的城市园林景观日益形成，先后被评为“全国绿化模范县（区）”、自治区园林城市和卫生城市。
    集宁境内植物生长季节短暂。草本植物历年生育期170天左右，禾谷作物生育期140天左右，露地蔬菜生产一年两茬，温室蔬菜现状一年四季均可生产。
    集宁区位于黄旗海流域北部，有泉玉岭河、霸王河及尼旦河，三条河的流域面积共4360.4km²。泉玉岭河发源于察右中旗境内，全长约105km，区内长约40km，流域区面积为1980.0km²。霸王河发源于卓资县境内，全长约93km，区内长约22km，流域面积2959.4km²。尼旦河距集宁城区北约11.0km处，属黄旗海流域，控制流域面积1421.0km²。