位于青海省东北部，东经98°5-102°41，北纬36°44-39°5。东南与西宁市的大通县、海东地区的互助、湟中、湟源县接壤；西与海西蒙古族藏族自大治州的天峻县毗连；南与海南藏族自治州的共和县隔湖相望；东北与甘肃省的天祝、山丹、民乐、永昌、张掖、肃南等市、县毗邻。
海北州山脉纵横，祁连山及其支脉由西北向东横贯州境。河流众多，大小河流140余条，地势由西北向倾斜，平均海拨3100米，最高点位于托勒南山二过龙主峰，海拨5287米。最低点位于祁连县潘家河大子龙南500米处，海拨2180米，相对高差3107米。海拨3000米以上的高原面积约占全州总面积85％， 属高原大陆性气候。 全年日照时数在2440-3140小时。年降水量300-500毫米，且集中在7、8月份， 雨热同季， 无绝对无霜期。土壤以高山草甸土和山地草甸土为主，兼有黑钙土、栗钙土、灰褐土等，有机质含量丰富，有利于农作物和牧草的生长。
