山丹，位于甘肅省西部河西走廊中段，東靠永昌，西鄰民樂，南以祁連山與青海省為界，北與內蒙古自治區阿拉善右旗接壤，東南過西大河水庫與肅南裕固族自治縣皇城區毗鄰，西北與張掖市堿灘鄉相連。位于東經100°41′至101°42′，北緯37°50′至39°03′，東西寬89公里，南北長136公里，面積5402.43平方公里。

境內祁連山聳立于南，焉支山雄踞于東，龍首山屏障于北，丘巒起伏，溝壑縱橫。除山區外，縣境南部、東部為沖洪積平原，中部為槽形地帶的沖積平原，高山區為褶皺低山丘陵，東北龍首山南麓為波狀地丘陵，北部紅寺湖地區為封閉型溝谷平原，全境自東南而西北緩斜坡降。

山丹地處高原高寒地帶，全境屬大陸性高原高寒半濕潤氣候，具有寒冷、四季不分明、雨量集中、帶有明顯的垂直分帶性的特點。冬季受西伯利亞冷氣團影響，氣候嚴寒干燥，降水稀少。夏季受太平洋副熱帶高壓和印度洋暖濕氣流影響，氣候溫涼，雨量集中。2013年冬季長達283天，春季82天，無夏季，降水隨海撥的升高自北向南有明顯的垂直分帶性。在海撥2600米-2850米之間為寒冷半干旱區，在海撥2850米-4933米之間為高寒濕潤區。

山丹年平均氣溫1℃，晝夜溫差大，無霜期110天左右，有效積溫(≥0℃)海撥2500米積溫1834℃，2550米積溫1752℃。2013年光照充足，理論日照數2823小時(以二場為標準，由北向南隨海撥升高減少)。

馬營河是山丹縣境內最大的河流，馬營河灌區位于山丹縣中部，東靠永昌，西鄰張掖，北過龍首山與內蒙古阿拉善右旗接壤，南依祁連山北麓，流域面積2136平方公里。馬營河從白石崖渠尾到李橋水庫入口，全長36公里，流域面積1164平方公里，灌溉馬營、李橋、陳戶等鄉鎮18萬畝農田。

截止2014年境內已發現礦種24種，各類礦產地54處，現已開發利用的有煤、粘土、鐵、石灰巖、硅石、滑石、金、銀、白云巖、花崗石等10種。通過對山丹縣礦產資源的普查、詳查，初步查明可開采的煤炭儲量為4.03億噸，白云巖3.85億噸，耐火土2.86億噸、高嶺土1.5億噸，硅石6700萬噸、鐵礦石449萬噸、瑩石56萬噸。主要工業產品有水泥、硅鐵、耐火材料、焦炭、煤炭、白酒、植物油等。

山丹縣的生物資源有亞麻、瓜菜、中藥材等，面積25萬畝左右;飼草以毛苕子、苜蓿為主。林地保存面積80萬畝，其中經濟林6萬畝。牛、羊、豬、雞飼養量分別為1萬頭、50萬只、6萬口、50萬只。

山丹縣水資源總量1.945億立方米，自產自用水資源總量1.24億立方米，其中地表水資源0.857億立方米，地下水資源0.383億立方米。境內河流有馬營河、霍城河、寺溝河和山丹河以及大黃山淺山區的小溝小岔。