鄂尔多斯是地球上最原始的古陆之一，在多次复杂的地壳运动和海陆变迁中，最终形成了鄂尔多斯高原。从距今一亿八千万年前起，直到距今七千万年前，鄂尔多斯大地上恐龙空前繁盛，主宰着这片土地，现在鄂托克旗境内仍保留着完整的恐龙足迹化石区。全市地势呈西北高、东南低，中部隆起，南北较低之势，海拔高度在1000—1500米之间。地貌类型多样，北部黄河沿岸为冲积平原；东部为黄土丘陵，沟壑纵横；西部为鄂尔多斯草原，北部和西南部横亘着库布其沙漠和毛乌素沙地，自然景观异彩纷呈。

鄂尔多斯市属典型的温带大陆性气候，年均气温6.7℃，年降水量150—350毫米，夏季凉爽，是理想的避暑之地。市内河流多属黄河 支流，并分布着许多天然湖泊。植物景观以温带干草原为主。市内的“西鄂尔多斯自然保护区”和“阿拉善湾海子湿地保护区”，属国家级自然保护区，以其珍稀的动植物为世人瞩目。