大同市位于山西省最北端，北以外长城为界，与内蒙古自治区乌兰察布市的兴和县、丰镇市、凉城县毗邻，西、南与本省朔州市的右玉县、怀仁县、应县及忻州市的繁峙县相连，东与河北省张家口市的万全县、阳原县、蔚县及保定市的涞源县相接，距首都北京380公里，离省会太原352公里，全境总面积14176平方千米；为首都之屏障、全晋北方之门户，且扼晋、冀、内蒙之咽喉要道，是历代兵家必争之地。
大同地理环境处于南下阴山、东来燕山、北上吕梁山、太行山北方四大山脉的交叉通道，是大雁为首的中部鸟类南迁通道。西北部山脉属阴山山脉和吕梁山脉，主要有白登山、双山、二朗山、云门山、采凉山等；东南部山脉属太行山脉，主要有恒山、太白山、六棱山等。全市一般海拔在1000～1500米之间，最高处为阳高县境内六棱山黄羊尖（海拔2420米），最低处为灵丘县境内花塔村冉河出口处（海拔558米）。桑干河自西南向东北横贯全市，形成了周围高、中间低、两山夹一川的槽型盆地。除桑干河外，境内主要河流还有属海河水系的御河、南洋河、壶流河、唐河和属黄河水系的苍头河。
