북쪽은 화성시, 동쪽은 용인시·안성시, 남쪽은 충청남도 아산시·천안시와 각각 접한다. 남서쪽은 아산만(牙山灣)에 면한다.
해안에 면한 포승읍(浦升邑)과 청북읍(靑北邑) 일대에는 선캄브리아대(代)에 속하는 서산층군(瑞山層群)의 편암(片岩)이 분포하며, 진위천(振威川) 연변에는 광대한 제4기 충적지가 형성되어 있다. 이 충적지 주변에는 선캄브리아대층에 속하는 호상편마암과 화강암질편마암, 쥐라기의 대보화강암 등이 분포한다. 이 대보화강암은 남단의 현덕면(玄德面) 일대에도 부분적으로 나타난다. 북동부 진위면(振威面)의 동부와 남서부 및 현덕면 남부 일대의 낮은 구릉을 제외하면 해발고도가 100m 이상 되는 지역은 없다.
전 지역이 대부분 낮고 평평한 충적지와 침식평탄지로 구성되어 있다. 주요 산과 구릉은 무봉산(無鳳山)·바람산·함박산(函朴山)·마안산(馬鞍山)·고등산(高等山)·옥녀봉(玉女峰)·석화봉(石花峰)·불당산(佛堂山)·봉화령(烽火嶺) 등이다. 주요 하천은 안성천(安城川)과 그 지류인 진위천·오산천(烏山川)·도대천(道垈川)·황구지천(黃口池川)·도일천(道日川) 등이다. 해안선은 원래 만입(灣入)이 많고 복잡하였으나 남양방조제·아산만방조제 등이 건설된 뒤 비교적 해안선이 단조로워졌다.
경기도의 최남단에 있고 평균해발고도가 낮기 때문에 경기도 내의 다른 도시들에 비해 겨울에 가장 따뜻하고 여름에 가장 덥다. 연평균기온은 12.1℃로, 1월 평균기온 -3.7℃, 8월 평균기온은 25.9℃이다. 연평균강수량은 1,187mm이다.
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