哲里木盟位于内蒙古自治区东部，地处东经119°～123°，北纬42°～46°之间。边界总长1500多公里。东连吉林省白城地区的长岭县和通榆县、四平地区的双辽县；南邻辽宁省铁岭市的康平县、昌图县和阜新市的彰武县、阜新蒙古族自治县；西接赤峰市的翁牛特旗、阿鲁科尔沁旗及敖汉旗，西北与锡林郭勒盟的东乌珠穆沁旗和西乌珠穆沁旗接壤；北与兴安盟的科尔沁右翼中旗毗邻。
全盟地处松辽平原西侧，属蒙古高原递降到低山丘陵和倾斜冲击平原地带。北部山区属于大兴安岭余脉，面积19 349平方公里，占全盟总面积的32.5%，海拔高度为1 000米～1 400米，最高山峰是罕山吞特尔峰，海拔1 426米。中部属于西辽河、新开河和教来河冲积平原，面积为12 502平方公里，占全盟总面积的21%。
平原区由西向东逐渐倾斜，海拔由320米降至90米。南部和西部属于辽西山区的边缘地带，由浅山、丘陵、沟壑、沙沼构成，面积为27 684平方公里，占全盟面积的46.5%，海拔为400米～600米。其中，浅山、丘陵、沟壑纵横，面积为3 274平方公里，占全盟总面积的5.5%，沙沼地区面积为24 605平方公里，占全盟总面积的41%。全盟境内较大的山有：扎鲁特旗的罕山、库伦旗的阿其玛山、奈曼旗的青龙山和老道山等。全盟有大小河流43条。主要水系有嫩江水系，包括霍林河诸支流和阿日坤都冷河，流域面积为4 759平方公里；西辽河水系，包括乌力吉木仁河、西拉木伦河、教来河、老哈河、新开河、西辽河及17个河段，流域面积1 322平方公里；柳河水系，包括养畜牧河，乌根稿河等，流域面积3 098平方公里；秀水河水系，包括东、西马兰河等，流域面积2 973平方公里；内陆河水系，包括乌努格其河、胜利河等，各河尾端漫散汇入乌力吉木仁河北端，流域面积16 876平方公里。西辽河、新开河等分布在境内南部、北部和中部，横贯全盟，形成“三河平原”，是发展粮油糖和畜牧业和重要基地。
全盟全年气温均受蒙古高压气流影响，属温带季风区，半湿润向半干旱过渡地带，大陆性气候显著。一年四季，变化较大。特点是春季干旱多风，夏季炎热而且雨量集中，秋季凉爽短促，冬季长而寒冷。气温由西南向东北递减。全盟年均气温0℃-6℃。全盟基本气候特征是光资源充足，全年日照时数为2 868小时～3 111小时，太阳总辐射量在5 013.4焦耳/平方米～5 457.70焦耳/平方米之间，热资源适宜发展农牧林业生产。无霜期南部150天左右，中部“三河”冲积平原为130天～140天，北部山区为90天～100天，年降雨量为350毫米～450毫米之间，是全盟降水量最多的地区之一。全盟境内冬季多偏西风或偏北风，夏季多偏南风或西南风，年平均风速在3.5米/秒～4.5米/秒之间，最大风速可达19米/秒～31米/秒。
全盟总土地面积近6万平方公里。土壤呈轻度带状分布。北部大兴安岭浅山区为灰色森林土，暗棕土壤占黑钙土，腐植质层厚不均，但结构较好。有机质含量：灰色森林土占8%～12%，暗棕土壤占5%～8%，黑钙土占3%～7%以上。西辽河、教来河、新开河冲积平原主要以灰色草甸土、风沙土和盐碱土为主，土壤大部分为冲积物和风积物。有机含量：灰色草甸土为1%～2%，风沙土为0.5%～1.5%。南部的黄土丘陵沟壑区，以栗钙土、褐土为主，土层薄、易流失，有机质含量为0.5%～1%。全盟境内土壤型有多种，适应于木本植物和禾本植物生长，宜农、宜林、宜牧。