定西市位于我国西南向东北倾斜的地势中，其最高点位于西南部的高峰乡城门寨，海拔达到2577.3米。而最低点则在北部的关川河谷地，海拔为1671.3米。城区的海拔高度为1898.7米。全境主要位于祖厉河支流关川河流域，其北部为关川河与渭河流域的分水岭，东部和西部则分别为关川河与秦祁河、苑川河流域的分水岭，南部与巩河和厉河的分水岭相邻。从大地构造的角度来看，定西市属于祁连山加里东褶皱带东部和陇西旋卷体的一部分。这里的海拔高度在1930至3941米之间，平均海拔为2080米，地形地貌复杂多样，整体呈现西南高、东北低的特点。

定西市的气候属于南温带半湿润至中温带半干旱区，年均气温在5.7至7.7摄氏度之间，无霜期为122至160天。年均降雨量为350至600毫米，主要降雨集中在7月、8月和9月，这三个月的降雨多以暴雨形式出现，而蒸发量却高达1400毫米以上。以渭河为界，定西市大致可以分为北部的黄土丘陵沟壑区和南部的寒阴湿区两种自然类型。北部的这一区域占全市总面积的60%，属于中温带半干旱区，降水较少，日照充足，温差较大。而南部的区域占全市总面积的40%，属于暖温带半湿润区，海拔较高，气温较低。