La Région autonome de Mongolie intérieure se situe à l'extrémité nord de la Chine. S'étendant de 37°24′ jusqu'à 53°20′ de latitude Nord, la distance sud-nord est de 1 700 kilomètres ; De 126°09′ jusqu'à 97°12′ de longitude Est, la distance est-ouest compte 2 500 kilomètres. La région autonome confine, à l'est, à trois provinces : le Heilongjiang, le Jilin, et le Liaoning; au sud et au sud-ouest, aux provinces du Hebei, du Shanxi, et du Shaanxi, ainsi qu'à la Région autonome hui du Ningxia ; et à l'ouest, à la province du Gansu. Elle touche au nord et au nord-est la Mongolie et la Russie. Elle a 4 200 kilomètres de frontière, et couvre une superficie totale de 1 183 000 km2, soit 12,3% de la superficie totale de la Chine. Par la superficie elle se classe au troisième rang, après la Région autonome uygur du Xinjiang et la Région autonome du Tibet.

C'est principalement une région de plateau d'une altitude moyenne de 1 000m. Le plateau de Mongolie intérieure qui se classe au deuxième rang par la superficie parmi les quatre principaux plateaux de Chine, constitue le corps principal du relief de cette région. Limité à l'est par les monts du Grand Hinggan, à l'ouest par les monts Mazong, les monts Heli, et les monts Longshou, au sud par les monts Yinshan, et au nord par les frontières de la Chine et de la Mongolie, le plateau de Mongolie intérieure, d'une longueur de 3 000 km du nord-est au sud-ouest, s'incline doucement du sud au nord. On n'y trouve pratiquement ni montagne ni vallée ; le relief est légèrement ondulé. Le terrain plat permet la circulation automobile. Le plateau de Mongolie intérieure (y compris le plateau de l'Ordos, au sens large), avec des steppes immenses, constitue un pâturage naturel célèbre de la Chine. Sur le plateau se disséminent également des déserts, dont les plus célèbres sont le petit Tengger situé dans le sud de la ligue de Xilin Gol, le Badain Jaran, le Tengger, et le Ulan Buh situés dans la ligue d'Alxa, lr Hobg et le Mu Us situés respectvement au nord et au sud de l'Ordos, le Hulun Buir situé dans la ligue de Hulun Buir, et le Horqin situé dans la ligue de Jiren.

La région de Mongolie intérieure est sillonnée d'un millier de rivières grandes ou petites. On trouve 107 rivières dont le bassin couvre plus de mille kilomètres carrés. Environ mille lacs de toute taille offrent une surface globale de 7 000 km2. Globalement en Mongolie intérieure, l'eau couvre 984 300 hectares, dont 655 000 ha d'eau douce utilisable, ce qui représente 10,68% de la surface d'eau utilisable de l'ensemble du pays. Ceci la met sur un plan d'égalité avec la province du Hubei, surnommée « province aux mille lacs ». La ressource en eau douce (eau de surface et de sous-sol) totalise en moyenne 50,9 milliards de mètres cubes par an, soit 2 370 mètres cubes par personne ou 10 000 mètres cubes par hectare de terre cultivée. Les chaînes de montagnes, le Grand Hinggan, le Yinshan et le Helan, liées l'une à l'autre, constituent une ligne de hauteur qui sépare les cours d'eau en deux systèmes : dans la partie nord-ouest, il s'agit des réseaux endoréiques. Les cours d'eau sont rares et le débit, peu abondant. On y trouve beaucoup de lacs salés ; dans la partie sud-est, ce sont des réseaux exoréiques. Le Huanghe, le Nenjiang, le Ergun, et le Xiliaohe sont les quatre plus grands fleuves. Le Hulun, le Buir, le Juyanhai, le Ulansuhai, le Daihai, et le Huangqi Mai sont des lacs d'eau douce couvrant chacun une surface de plus de 100 km2. Il existe aussi beaucoup de sources thermales et minérales dont la plus célèbre est la source thermale d'Arxan située dans le versant ouest des monts du Grand Hinggan.

Le climat de la Mongolie intérieure est typiquement continental : en hiver, il fait froid ; en été, il fait relativement doux ; au printemps, les tempêtes de sable sont fréquentes. Les précipitations sont peu abondantes : la pluviosité annuelle varie de 100 à 500 mm dans la plupart des régions. L'ensoleillement est important, et se situe entre 2500 et 3200 heures par an. L'évaporation, aussi importante, se situe de 1 000 à 3 000 mm par an ; l'écart annuel des températures est aussi grande que l'écart journalier. La température moyenne du mois de janvier est de -10℃ dans la région sud-ouest et de -30℃ dans la région nord-est. Le thermomètre descend jusqu'à -50℃ à Mianduhe, situé au nord du Grand Hinggan. L'écart annuel des températures varie de 33℃ à 49℃, et augmente du sud vers le nord. Dans la majeure partie de la région, il y a seulement 80 à 150 jours sans gel. On lève une seule récolte agricole par an. Le vent souffle fréquemment en Mongolie intérieure. La force moyenne du vent dans la plus grande partie de cette zone est supérieure à 3 degrés de l'échelle de Beaufort, et dans plus d'une moitié de la zone (essentiellement dans la zone pastorale), supérieure à 4 degrés. Les jours où souffle un vent violent totalisent plus de quarante jours par an dans la plupart des zones, voire même une centaine de jours dans certains endroits.