【地质地貌】榆林在大地构造单元上属鄂尔多斯台向斜陕北台凹东冀地区，地质活动相对稳定，地震较少。据地质研究，今陕北、内蒙鄂尔多斯等地原为一片汪洋，后地壳几经升降，到中生代三叠纪，海水退去，进入内陆盆地发育时期。新生代第四期，气候变冷干燥，西北风将蒙古高原上的尘粉沙土向东南卷运，经数十万年，黄土堆积覆盖了陕北等地基岩，最厚处达300多米，逐渐形成黄土丘陵区。下新纪末期，境内无定河、峁沟等河雏形水系形成，地面起伏加大。上更新世初期，气候湿润、多雨，榆溪河等宽谷河上游形成河谷式静水盆地、凹地，其它各大河流堆积了砂粘土。上更新世晚期，气候温暖干旱，湖泊消失，榆溪河上游断流在低洼地形成季节性积水洼地、封闭式湖盆、沼泽。全新世初期，气候干旱，风沙盛行，榆林北西部一些河流干枯，形成许多堵塞的湖盆凹地，部分滩地形成。全新世晚期，北部开始风沙堆积，逐渐形成黄土风沙草滩区。
榆阳区地势总体东北高，中南部低，大致以明长城为界，形成两大类型地貌布局：长城以北为风沙草滩区，包括红石桥、补浪河、巴拉素、小纪汗、马合、岔河则、小壕兔、孟家湾、金鸡滩、牛家梁等10个乡（镇）和芹河、榆阳、麻黄梁、大河塔等乡（镇）的北部地区。区内地势较平坦，沙丘、草滩、海子（小湖泊）交错分布，地下水储量丰富，易开采，主要有五十里沙、柳卜滩、古城滩、麻黄梁、走马梁、七里沙、大墩梁等20多处沙地、滩地和山梁。明长城以南为丘陵沟壑区，包括鱼河、安崖、青云、古塔、刘千河、余兴庄、鱼河峁、上盐湾、清泉、镇川等14个乡（镇）和芹河、榆阳、麻黄梁、大河塔等乡（镇）的南部地区。区内梁峁起伏，沟壑纵横，为水土保持重点治理区。有山梁、峁3000多个，其中较大的梁有红山、大墩梁、四里沙梁、赵家梁、张家峁、谢家梁等10多处；有较大常流水沟34条，较大沟壑2000多条，中南部河川区红石峡以南的榆溪河、无定河沿岸至镇川八塌湾的狭长地带，地势较平坦，土壤肥沃，水利骨干工程设施配套到位，林网田园化已形成规模，是以水稻为主的粮蔬作物高产区。
【气候】榆阳区地处鄂尔多斯台地东部，属于典型的大陆性边缘季风气候，四季冷暖分明，干湿各异。年平均降水量365.7毫米，年平均气温8.3℃。冬季处在强大的西伯利亚冷气团控制之下，气候寒冷干燥少雨雪。春季因极地大陆性气团消退，东南暖湿气流逐渐北进，大地回暖快，降水渐增，易出现寒潮、霜冻和大风沙尘天气，春旱频繁发生。冬春多行西北风，最大风力可达10级。夏季西南暖湿气流明显加强，是一年中降水最集中的季节，多阵性降水，雨量集中并常伴有大风、沙尘暴、冰雹天气；雨量分布不均，有不同程度的伏旱和雹灾出现。秋季因暖湿气团和干冷气团交替出现，同时因太阳高度角变小，辐射减弱，低空温度迅速下降，大气层结构稳定，形成秋高气爽的天气。
【河流、水系】境内河流属黄河水系。境北、西及东南部为无定河流域，面积5904平方公里，占全市面积的86.4%。东北小部分(麻黄梁、大河塌、安崖和刘千河乡局部)为秃尾河、佳芦河流域．面积分别为720和429平方公里，分别占全市面积的9.1％、4.5％。境内河道纵横，有大小河流837条，其中常年流水河570条，季节性流水支沟261条，流域面积10平方公里以上的河道53条，100平方公里以上的河流23条。流域地形复杂，沙漠滩地区河流水量较大，流量稳定，河道比降缓，洪水小；黄土丘陵沟壑区沟谷河道狭窄，河床比降大，河流水量随季节变化，多呈间歇性溪流，雨季流量大，且含泥沙量高，河流洪、枯流量差值极大，如峁沟河，历史最大洪流量达1000立方米／秒．而枯水季节流量为0.3立方米／秒。最大的河是过境无定河，其次是境内的榆溪河和过境的秃尾河，其余河流多为这3条较大河流的小支流、小溪淘。
