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동쪽은 부령군과 청진시 부윤구역·송평구역, 서쪽과 남서쪽은 연사군과 접하며 남쪽은 경성군,북동쪽은 회령시와 접하고 북서쪽은 두만강을 사이에 두고 중국과 마주한다.

전체적으로 백무고원의 일부를 이루며 북서부는 무산고원에 해당한다. 대부분 지역이 해발고도 800m 이상의 중산성 산지이며 가장 높은 곳은 온천리에 있는 2,279m의 산봉우리이고 가장 낮은 곳은 서호리에 해당되는 두만강 곡지(370m)이다. 지세는 함경산맥의 북서 사면에 해당하여 북부와 북동부, 남부와 남서부가 높고 두만강 연안으로 가면서 점차 낮아진다.

함경산맥이 북동쪽에서 남서쪽 방향으로 뻗어 있으며 청진시 부윤구역, 경성군, 부령군 등과 경계를 이룬다. 이 산맥에는 고성산(1,754m)·대련골산(1,549m)·차유봉(1,557m) 등 높은 산들이 솟아 있다. 북동부에는 함경산맥에서 갈라진 가라지봉산맥이 회령시와 경계를 이루며 뻗어 있다. 이 산맥에는 민사봉(1,428m)·가라지봉(1,418m)·서재산(1,109m) 등이 있다. 중부에 뻗어 있는 민봉산맥에는 큰민봉(1,627m)·곤장덕산(1,320m)·민봉(1,670m)·곤봉산(1,926m) 등이 솟아 있다.

외곽에는 고성령(1,079m)·차유령(914m)·우적령(921m)·무수령 등의 고개가 있다. 부령군과의 경계에 있는 차유령은 군에서 동해안지역으로 나가는 주요 고갯길로 이용된다. 5㎞ 이상인 하천이 30여 개나 흐르며 주요 하천은 두만강과 그 지류인 연면수·성천수이다. 성천수 중류에 있는 마양저수지는 전력생산에 이용된다.

지질은 마천령계·두만계 지층과 제4기 지층, 이원암군, 단천암군, 압록강암군 등으로 이루어져 있으며 철·니켈·규석 등의 지하자원이 묻혀 있다. 토양은 갈색산림토이며 성천수 하류 연안을 비롯한 저지대 하천 연안에는 충적지토양이 분포한다.

산림은 전체면적의 약 90%이며 그 중 50% 정도는 소나무와 신갈나무 숲이다. 해발고도 1,500m 이상인 박천수 상류지역에는 분비나무·가문비나무·전나무·잎갈나무·잣나무 등의 침엽수와 자작나무·사스래나무·사시나무·황철나무 등이 많다. 지초리 일대에는 무산군의 특산종으로 알려진 '풀또기'라는 꽃이 피는 나무가 있는데 관상용으로 이용된다. 그밖에 흰족제비·승냥이·검은담비·산달·수달·곰·노루·사향노루·산양 등 여러 동물들이 서식한다. 특히 연면수에는 산천어가 많다.

내륙지대에 있어 함경북도의 다른 시·군보다 대륙성 기후의 영향을 강하게 받아 겨울에 매우 춥다. 연평균기온은 5.2℃, 1월 평균기온은 －13.4℃, 7월 평균기온은 21.3℃이며 연평균강수량은 500mm 정도이다. 첫서리는 9월 29일경에, 마지막 서리는 4월 8일경에 내린다.