呂梁市位于山西省中部西側，因呂梁山脈縱貫全境而得名。地理坐標北緯36°43'—38°43'，東經110°22'—112°19'，西隔黃河與陜西相望，東與太原市和晉中市相鄰，南與臨汾市接壤，北與忻州市為鄰。[5]

呂梁市地處呂梁山脈中段，地勢中間高兩翼低，呂梁山脈由北而南縱貫全境，平均海撥在1000～2000米之間。主峰關帝山海撥2831米，為呂梁山最高峰。山地兩翼丘陵起伏，溝壑縱橫，水土流失嚴重。東部地勢平坦，為太原盆地西部邊緣，是主要農業區。境內有黃河及汾河、文峪河、湫水河、蔚汾河、三川河穿流，均屬黃河水系。呂梁屬黃土丘陵溝壑區，山區、半山區面積占92%。

呂梁市屬半干旱暖溫帶大陸性季風氣候，四季分明，差異懸殊。春季干燥，雨少風多；夏季炎熱，雨量集中；秋季涼爽，氣候宜人；冬季寒冷，降雪偏少。多年平均降水量502.5mm，呂梁關帝山主峰一帶為多雨中心，年降水量在700mm以上，而臨縣、柳林沿河一帶較為干旱，降水量通常在450mm以下。降水量的季節分布很不均勻，夏季最多，占全年降水量的60%左右，冬季最少，只有3%左右，且年際變化很大。降水量多年份和最少年份相差2—3倍。降水區域分布很不均勻，平均而言，山區降水多于平川，南部山區多于北部山區。年平均氣溫8、9℃左右，全年>10℃的有效積溫2534.7—3870.0℃。一月份氣溫最低，全市平均氣溫為-7.2℃，極端最低氣溫為-30.5℃，出現在北部的嵐縣。七月份氣溫最高，全市平均氣溫為22.8℃，極端最高氣溫為39.9℃，出現在平川的汾陽市。年平均日照時數2351.7—2871.7小時，無霜期一般為133—178天。災害性天氣主要有干旱、暴雨、冰雹、霜凍和風災