Das Autonome Gebiet Innere Mongolei liegt im Norden Chinas und erstreckt sich in Nordsüdrichtung vom 53°12' bis zum 37°24' Breitengrad über mehr als 1700 km und in Ostwestrichtung vom 97°12' bis zum 126°04' Längengrad über mehr als 2500 km. Mit einer Grenzlänge von 4221km stößt das Gebiet im Osten an die Provinzen Heilongjiang, Jilin und Liaoning, im Süden und Südwesten an die Provinzen Hebei, Shanxi, Shaanxi und das Autonome Gebiet Ningxia, im Westen an die Provinz Gansu und im Norden und Nordosten an die Mongolei und an Russland. 1,18 Millionen qkm groß, macht das autonome Gebiet 12,3 % der gesamten Fläche Chinas aus und ist damit nach den Autonomen Gebieten Xinjiang und Tibet die drittgrößte administrative Einheit des Landes.

Der Großteil des autonomen Gebiets besteht aus einem Plateau über 1000 m ü.d.M. Dieses zweitgrößte Plateau Chinas erstreckt sich vom Großen Hinggan Gebirge im Osten bis zum Heil- und Longshou-Gebirge und dem Berg Nazong im Westen. Von Nordost nach Südwest erstreckt sich die Innere Mongolei über eine Länge von mehr als 3000 km. Das Terrain fällt vom hochgelegenen Süden zum Norden hin ab. Die Topographie ist meist flach bis leicht hügelich, so dass das Gebiet überall befahrbar ist. Auf dem Plateau (einschließlich dem Ordos-Plateau) liegen weitausgedehnte Grassteppen, die Chinas größte Weidegebiete darstellen, sowie die Wüste Hunshandake (auch Klein-Tengger genannt) im Südteil des Bundes Xilin Gol, die Wüsten Badain Jaran, Tengger und Ulan Buh im Bund Alxa, die Wüsten Hobq und Mu Us im Norden und an Südrand des Plateaus Ordos, die Wüste Hulun Buir im Bund Hulun Buir und die Wüste Horqin bei Jirem.

Das Autonome Gebiet Innere Mongolei durchziehen etwa 1000 Flüsse, darunter 107 mit je einem Einzugsgebiet von über 1000 qkm, und die rund 1000 kleinen und großen Seen haben eine Gesamtfläche von mehr als 700.000 ha. Von der gesamten Wasserfläche von 984.300 ha sind 655.000 ha Süßwasserfläche nutzbar, etwa 10,68 % der nutzbaren Wasserfläche des ganzen Landes, womit das autonome Gebiet der „Tausend-Seen-Provinz“ Hubei wasserflächenmäßig nicht nachsteht. Die jahresdurchschnittliche Süßwasserkapazität (Oberflächengewässer und Grundwasser) beträgt 50,9 Milliarden Kubikmeter, das entspricht 2370 Kubikmeter Wasser pro Kopf der Bevölkerung und etwa 10.000 Kubikmeter pro Hektar Ackerland. Im Nordwesten gibt es nur relativ wenige und wasserarme Flüsse, doch viele Salz- und Alkaliseen. Im Südosten hingegen finden sich die wasserreichen Flüsse, wovon der Huanghe (Gelber Fluss). Der Nenjiang, der Ergun und der Xiliao die größten sind. Zu den größeren Süßwasserseen zählen der Hulun, der Buir, der Juyan, der Ulansuhai, der Daihai und der Huangqihai mit je einer Fläche von mehr als 100 qkm. Schließlich gibt es in der Inneren Mongolei noch unzählige Thermal- und Mineralquellen, deren berühmteste die Thermalquelle Arxan am westlichen Fluss des Großen Hinggan-Gebirges ist.

Die Innere Mongolei weist kontinentales Klima auf. Der Winter mit strenger Kälte dauert lange, im Sommer gibt es selten heiße Tage und im Frühling kommt es häufig zu Sandstürmen. Die Jahresniederschlagsmenge in den meisten Gegenden liegt bei nur 50 bis 450 mm. Die jährliche Sonnenscheindauer beträgt im allgemeinen über 3200 Stunden. Die Jahresevaporation beträgt 1000 bis 3000 mm. Das Gebiet weist große Jahres- und Tagestemperaturunterschiede auf. Die durchschnittliche Temperatur im Januar liegt im Südwesten bei -10℃ und im Nordosten bei unter -30℃. Am Fluss Miandu im Norden des Großen Hinggan-Gebirges erreicht die Tiefsttemperatur sogar -50℃.Der Jahrestemperaturunterschied, der sich nach Norden hin mehr und mehr vergrößert, beträgt in der Regel 33 bis 49℃. Die frostfreie Periode in den meisten Gegenden beläuft sich auf 80 bis 150 Tage im Jahr.

Typisch für die Innere Mongolei ist ferner das häufige Auftreten von Wind mit Windgeschwindigkeiten, die in den meisten Gebieten bei Stärke drei und darüber liegen. In über der Hälfte des Autonomen Gebiets erreicht die Windgeschwindigkeit im Durchschnitt Stärke vier. In den meisten Gegenden gibt es im Jahr über 40 Tage mit starkem Wind und in manchen Gegenden sogar über 100 Tage.