該區地處北緯34°14′～37°04′，東經105°9′～106°58′，總麵積1.61×104km2，占全區總麵積的31.0%，涉及原州區、西吉縣、隆德縣、彭陽縣、涇源縣、海原縣、同心縣南部及鹽池縣麻黃山等地區，是我國黃土高原的組成部分，北接寧中台地、山間盆地區，東、西、南與甘肅為鄰。主要地貌類型為黃土丘陵和丘陵間窪地、穀地，平均海拔1600～2000m。六盤山以北的地區，由於降水少，流水對地表切割作用較小，除少數突出於黃土瀚海之上，狀如孤島的山峰之外，還有低丘淺穀，相對高度在150m左右。六盤山主峰以南流水切割作用顯著，地勢起伏較大，山高溝深。自中更新世以來，這些地區接受了大量黃土的堆積，黃土厚度數十米至百餘米，厚者可達300m。
本區氣候屬於溫帶大陸性季風氣候，四季分明，冬春幹旱少雨，夏秋濕熱多雨，年均氣溫5.3℃～7.3℃，年降水量300～500mm，≥10℃積溫2500℃左右，降水年際變率大，降水量年內分配不均，雨季集中在7～9月，占年降水量的70％以上，降雨多以洪水的形式流走，降水的利用率不足40％。
農業氣象災害主要有幹旱、霜凍、冰雹、幹熱風、暴雨。幹旱是危害最重、範圍最廣、發生頻率最高的災害，平均每年受災麵積5.13×104hm2。冰雹僅次於幹旱，且每年都有發生，平均每年受災麵積1.87×104hm2，降雹時間3～9月都會出現，4～8月為多發時段。秋霜凍對本區晚秋糧食作物的收成影響很大。例如，1972年9月4日出現的霜凍，由於發生時間早，致使當年秋作物大幅減產，蕎麥甚至顆粒無收。幹熱風是影響小麥收成的主要氣象災害之一，出現的時間每年大都在6月上旬至7月下旬，危害最嚴重的是6月下旬至7月中旬，此時段正值灌漿乳熟期。暴雨集中在7～9月，不僅給當地人民生命財產帶來嚴重威脅，而且會造成嚴重的水土流失，致使衝溝延伸，塬麵破壞，地形支離破碎。