海原地处黄土高原西北部，属黄河中游黄土丘陵沟壑区。境内丘陵起伏，沟壑纵横，六盘山余脉（南华山、西华山、月亮山等）由南向北深入境内，形成西南高、东北低的特殊地形，南部以南华山主峰马万山为最高，海拔2955米，是宁夏南部最高峰。这一地区地势高寒，雨量较多，有少量天然次生林零星分布。东部以清水河防地兴隆乡李家湾最低，海拔1366米，地形平坦、土层深厚、土质较好。中部为梁峁残塬地带，其间丘陵起伏，沟壑纵横交错，植被稀疏，水土流失严重。总土地面积中，黄土丘陵占66%，土石山区占1.6%，塬地占4.4%，河谷川地占20.9%,，山地占7.1%；天然林地4 .36万亩，天然草地260万亩。
　　海原县深居内陆，大陆性季风气候明显，其特点是春暖迟、夏热短、秋凉早、冬寒长。年均气温7℃,一月均温-6.7℃，七月均温19.7℃,≥10℃积温2398℃,无霜期149～171天。年降水量，多年平均286毫米，最多706毫米，最少325毫米。年草面蒸发量878毫米。年干燥度2.17。年平均太阳总辐射量5642兆焦耳/平方米，年日照时数2710小时。
　　从南到北横跨中温带干草原和荒漠草原，随着自然条件和地形、地貌的不断演变，形成了不同的土壤类型，在南部及中部部分地区以黑垆土为主，其土层深厚、质地均匀，保水、保肥性能好，是很好的农业土壤。天然草场388万亩，主要为干草原（分布在县境南部）和荒漠草原（分布在县境北部），南华山、西华山、月亮山分布草甸草原和山地草原。林地面积20.3万亩。森林覆盖率3.5%。土壤主要有黑垆土、灰钙土及黄绵土、灰褐土（山地）等。南华山、西华山、月亮山已列入大六盘生态经济圈生态工程建设区。
　　除兴仁平原属黄河右岸诸沟外，其余地区皆属黄河一级支流清水河水系。清水河沿东北部县界过境。麻春河、苋麻河、中河自西而东注入清水河。麻春河上的石峡口水库是宁夏南部最大中型水库。西华山北麓有盐池。李俊南分布地震滑坡堰塞湖。
　　境内探明矿产资源石膏、白去岩、陶土、金、铜、硫铁、砖瓦粘土、砂砾石、池盐等18个矿种，矿点六十几处。其中石膏占绝对优势，地质储量达二十四亿吨，主要分布于县境内兴隆、兴仁、西安、李俊、李旺等乡镇。品种齐全，有纤维石、雪花石、青石膏等，硫酸钙含量均在80%以上，石膏矿大都是露天矿，矿带规模大，易开采。石膏属一种非金属矿种，其具有质轻、防火、防潮、节能等优点和特点，被广泛用于建筑、化工（农药、肥料、医药）、轻工（造纸、食品、工艺美术）等行业。冶镁白云岩地质储量达5900万吨，氧化镁品位21%以上，是冶炼金属镁的优质原料。主要分布在兴仁油井山、曹洼乱堆子、史店油坊院、海城镇野狐坡。