山丹，位于甘肃省西部河西走廊中段，东靠永昌，西邻民乐，南以祁连山与青海省为界，北与内蒙古自治区阿拉善右旗接壤，东南过西大河水库与肃南裕固族自治县皇城区毗邻，西北与张掖市碱滩乡相连。位于东经100°41′至101°42′，北纬37°50′至39°03′，东西宽89公里，南北长136公里，面积5402.43平方公里。

境内祁连山耸立于南，焉支山雄踞于东，龙首山屏障于北，丘峦起伏，沟壑纵横。除山区外，县境南部、东部为冲洪积平原，中部为槽形地带的冲积平原，高山区为褶皱低山丘陵，东北龙首山南麓为波状地丘陵，北部红寺湖地区为封闭型沟谷平原，全境自东南而西北缓斜坡降。

山丹地处高原高寒地带，全境属大陆性高原高寒半湿润气候，具有寒冷、四季不分明、雨量集中、带有明显的垂直分带性的特点。冬季受西伯利亚冷气团影响，气候严寒干燥，降水稀少。夏季受太平洋副热带高压和印度洋暖湿气流影响，气候温凉，雨量集中。2013年冬季长达283天，春季82天，无夏季，降水随海拨的升高自北向南有明显的垂直分带性。在海拨2600米-2850米之间为寒冷半干旱区，在海拨2850米-4933米之间为高寒湿润区。

山丹年平均气温1℃，昼夜温差大，无霜期110天左右，有效积温(≥0℃)海拨2500米积温1834℃，2550米积温1752℃。2013年光照充足，理论日照数2823小时(以二场为标准，由北向南随海拨升高减少)。

马营河是山丹县境内最大的河流，马营河灌区位于山丹县中部，东靠永昌，西邻张掖，北过龙首山与内蒙古阿拉善右旗接壤，南依祁连山北麓，流域面积2136平方公里。马营河从白石崖渠尾到李桥水库入口，全长36公里，流域面积1164平方公里，灌溉马营、李桥、陈户等乡镇18万亩农田。

截止2014年境内已发现矿种24种，各类矿产地54处，现已开发利用的有煤、粘土、铁、石灰岩、硅石、滑石、金、银、白云岩、花岗石等10种。通过对山丹县矿产资源的普查、详查，初步查明可开采的煤炭储量为4.03亿吨，白云岩3.85亿吨，耐火土2.86亿吨、高岭土1.5亿吨，硅石6700万吨、铁矿石449万吨、莹石56万吨。主要工业产品有水泥、硅铁、耐火材料、焦炭、煤炭、白酒、植物油等。

山丹县的生物资源有亚麻、瓜菜、中药材等，面积25万亩左右;饲草以毛苕子、苜蓿为主。林地保存面积80万亩，其中经济林6万亩。牛、羊、猪、鸡饲养量分别为1万头、50万只、6万口、50万只。

山丹县水资源总量1.945亿立方米，自产自用水资源总量1.24亿立方米，其中地表水资源0.857亿立方米，地下水资源0.383亿立方米。境内河流有马营河、霍城河、寺沟河和山丹河以及大黄山浅山区的小沟小岔。