【地理位置】 海北藏族自治州位于青海省东北部，介于北纬36°44′00″～39°05′18″、东经98°5′00″～102°41′03″之间。东南与大通、互助、湟中、湟源县接壤；西与海西蒙古族藏族自治州的天峻县毗连；南与海南藏族自治州的共和县隔青海湖相望；北与甘肃省的天祝、山丹、民乐、肃南县为邻。全州东西长413.45公里，南北宽261.41公里。土地总面积34068.44平方公里，占全省土地总面积的4.71％。
【地貌】 海北州地处祁连山中部地带，祁连山系的走廊南山（往东南向延伸称冷龙岭）、托勒山、托勒南山、大通山（往东南向延伸称达坂山）等由西北走向东南，层峰起伏，巍峨绵延。托勒山、托勒南山、大通山（往东南向延伸到达坂山）等由西北走向东南，层峰起伏，巍峨绵延。上述山脉构成海北高原明显的骨架，境内山峰海拔大都在4000米左右，最高点位于托勒南山五个山东沟脑主峰，海拔5287米，最低点位于祁连黑河下游大子龙沟口南500米处，海拔2180米，相对高差3100米。境内地势由西北向东南倾斜，温度和降水由西北向东南递增，表现出有规律地带性变化。海拔超过3000米的面积占全州总面积的85%以上。从地貌成因看，有构造地貌、流水地貌，风成地貌和冰川地貌。从地貌形态看，有川谷、盆地、丘陵、低山、中山和高山。全州分为三个地貌区：祁连山高原区、青海湖北部湖盆区和浩门河河谷区。
【气候】 海北州气候属高原大陆性气候，其特点：寒冷期长，温凉期短，光照充足，太阳辐射强，干湿季分明，雨热同季，多夜雨和大风。年平均气温 —0.3℃～—0.7℃，最高气温27℃，最低气温—39℃。年平均降雨量500毫升。年日照时数2440～3140小时。年辐射热量每平方厘米131～177千卡。无绝对无霜期。
【主要山脉】 祁连山系地处中国地势第三台阶，位于青藏高原东北部，黄土高原西缘，而海北藏族自治州位于祁连山区的腹地，地貌复杂多样，祁连山系的走廊南山（往东南向延伸至冷龙岭）、托勒山、托勒南山、大通山（往东南向延伸到达坂山）等由西北走向东南，构成海北地貌的主要骨架，地势西高东低，大部分山峰海拔都在4000米以上。（1）走廊南山，海拔在4000~4767米，主峰祁连峰，海拔5564米，山体由奥陶系中统中基性火山岩、千枚岩、绿色硬砂岩、结晶砂岩、紫红色砂砾岩和夹煤岩等构成。（2）冷龙岭，脊峰一般在海拔4500米左右，主峰岗什卡，海拔5254.5米，山体由花岗岩及花岗斑岩、大理岩构成。（3）托勒山，平均海拔在4500米以上，最高峰海拔5159米，山体由火山岩、千枚岩、绿色硬砂岩、砂砾岩构成，海拔4800米以上的山峰，发育现代冰川。（4）托勒南山，一般海拔高度4000米，最高点五个山东沟西岔山峰，海拔5287米，属中祁连隆起带，山体由结晶灰岩、板岩、砂岩夹石英岩构成，海拔4500米以上多系裸岩，常年积雪，现代冰川广泛发育。（5）大通山，最高点桑斯扎峰，海拔4755米 ，山体由古老震旦亚界海相砂质，碎屑岩和碳酸岩构成。（6）达坂山，古称大寒山，又名青石岭，平均海拔4000米以上，山体由古老的震旦亚界海相砂质碎屑岩和碳酸岩构成，气候较湿润，现代流水作用较强烈，沟谷纵横，地面切割严重，植被覆盖率约80%。
【主要河流】 海北州境内4000米以上的高山地带，冰川广布，终年积雪，现代流水作用较强烈，地表径流资源丰富，流量大于0.5秒立方米的河流有61条，其中外流水系河流24条，祁连山内陆水系河流有25条，青海湖内陆水系河流12条。全州总集水面积冰川面积29764.56平方公里，约占全州土地总面积的87%。主要河流有：（1）大通河，是海北州最大的外流河，在祁连、刚察县边界称默勒河，在门源县境内称浩门河，系黄河水系——湟水的一级支流。发源于天峻县托勒山的木里山泉（山泉约108处），以大气降水和冰川消融为主要补给来源，流经祁连、刚察、海晏、门源、互助、天祝、永登等县，至民和享堂注入湟水，总长560公里，流域面积15130平方公里，集水面积11801.29平方公里，该河在州境内长352.29公里，集水面积9803.01平方公里，上游默勒河段，落差28米，平均比降3.7/100，多平均流量27.55立方米/秒，年径流量8.688亿立方米。进入门源县境内（浩门河段），落差802米，平均比降1/220，多年平均流量49.14立方米/秒，径流15.497亿立方米。南北两岸有40余条较大支流汇入，成枝状排列。该河多年流量较为稳定，河水流量以5~9月份最大。约占全径流总量的80%。10月至翌年4月水量最小。（2）湟水，属黄河水系一级支流，发源于海晏县境内肯特达坂山南麓，河长78.2公里，集水面积1662.5平方公里。河源高山区称忽图河，麻区寺滩称麻秀河，水文站下游支流称哈勒景河，汇入后称巴燕河，多年平均流量4.48立方米/秒，年径流量0.35立方米。下游东大滩水库1座，库容2200万立方米，该河是海晏盆地和湟水谷地重要水源。（3）黑河，在祁连山县境内的分为两大支流，即托勒河和黑河。分别流入甘肃省九泉、张掖北部后汇合，统称黑河（甘肃又称甘州河），入沙漠变潜流形成沙漠中湖泊——居延海。（4）托勒河，甘肃省称北大河。系黑河一级支流，发源于托勒南山的横断山脉西侧的纳尕尔当，集水面积2728.49平方公里。多年平均流量3立方米/秒，年径流量2.68亿立方米。（5）黑河西岔：发源于野牛沟洪水坝的八一冰川，全长192公里，集水面积5089.4平方公里，多年平均流量22.4立方米/秒，年径流量7.089亿立方米。（6）八宝河，发源于金羊岭南侧山间沟谷，河流径长108.5公里，集水面积2508平方公里。（7）布哈河，发源于天峻县沙果林那穆吉水岭东南麓，全长300公里，为天峻、共和、刚察三县界河，流域面积14442平方公里（刚察境内70.5平方公里）。年平均流量25.26立方米/秒，年径流量7.966亿立方米，该河是常年源源不竭的不对称河流，是青海湖最大入湖水源，约占入湖总量的60%。（8）吉尔孟河，属布哈河北侧支流，发源于沙欧后公卡西麓，全长94里，流域面积930公里（境内流域面积797平方公里），平均流量1.653立方米/秒，年径流量0.5123亿立方米。（9）乌哈阿兰河位于刚察县泉吉乡东侧约0.7公里，发源于尔德贡，全长52公里，流域面积592平方公里，年均流量0.7487立方米/秒，年径流量0.2361亿立方米。（10）沙柳河，又称伊克乌兰河，位于刚察县城北侧0.2公里处。发源于大通山西段桑斯扎山南坡，源头为冰冻沼泽区，由瓦彦河、尔爱河汇流而成。河流长95公里。流域面积1366平方公里，平均流量7.53立方米/秒，年径流量2.374亿立方米。（11）哈尔盖河，位于刚察县哈尔盖乡以东5公里，发源于台布稀山南麓与海晏县境内的察那河汇流后折转向南，最后流入青海湖。南段是刚察、海晏2县的界河，全长129公里，年均流量398立方米/秒，年径流量1.2551亿立方米。
【湖泊】 青海湖，位于海北州境西南部，是我国最大的内陆咸水湖，湖面海拔3196米，东西长104公里，南北宽62公里，最大湖深31.4米，面积4282平方公里，容积739亿立方米，湖水平均矿化度12.32克/升，含盐量1.24%。布哈河、沙柳河、乌哈阿兰河、哈尔盖河4条大河为湖水重要补给来源，其次是湖底的泉水。青海湖蒸发量大，超过输入量。
【主要冰川】 海北州境内冰川面积达371.71平方公里，冰川储量130.44亿立方米。冰川是河水和农牧业生产用水主要补给来源。祁连山冰川是青海省主要冰川，在托勒山、走廊南山、托勒南山、冷龙岭等主要山体上都有分布。据兰州冰川冻土研究所资料，祁连山系共有冰川面积1334.7平方公里，冰川储量615.49亿立方米，州境内冰川面积占整个祁连山系冰川面积27%，冰川占21.20%。由于冰川的影响，对高山水分的调节，河流的补给，气候、气温、地温、冻土都产生极大的影响。