Sơn Tây nằm ở trung bộ lưu vực Hoàng Hà, ở phía tây của Thái Hành Sơn, có tọa độ giới hạn từ 34°34′-40°43′ vĩ Bắc và 110°14′—114°33′ kinh Đông. Lãnh thổ Sơn Tây có hình bình hành kéo dài từ đông bắc đến tây nam, với diện tích là khoảng 156.700 km², chiếm 1,6% tổng diện tích Trung Quốc, dài khoảng 682 km theo chiều bắc-nam, rộng khoảng 385 km theo chiều đông-tây. Thái Hành Sơn ngăn cách Sơn Tây với Hà Bắc ở phía đông; ở phía tây thì Hoàng Hà ngăn cách Sơn Tây với Thiểm Tây; nam và đông nam của Sơn Tây là Hà Nam; phía bắc Sơn Tây là khu tự trị Nội Mông.

Địa thế điển hình của Sơn Tây là lớp đất hoàng thổ bao trùm các cao nguyên sơn địa, bị giới hạn bởi Ngũ Đài Sơn và Hằng Sơn ở phía bắc, Thái Hành Sơn ở phía đông, Lã Lương Sơn ở phía tây. Địa thế của Sơn Tây nói chung là cao ở đông bắc, thấp ở tây nam. Vùng cao nguyên trong tỉnh nhấp nhô chứ không bằng phẳng, có các thung lũng sông dọc ngang. Địa mạo của Sơn Tây phức tạp và đa dạng: núi non, gò đồi, đài địa, bình nguyên, nhìn chung là núi nhiều sông ít, trong đó vùng núi non và gò đồi chiếm 80,1% diện tích của tỉnh, vùng đồng bằng và thung lũng sông chiếm 19,9% diện tích của tỉnh.[12] Phần lớn Thiểm Tây có cao độ trên 1.500 mét so với mực nước biển, điểm cao nhất là đỉnh chính Hiệp Đầu của Ngũ Đài Sơn với cao độ 3061,1 mét trên mực nước biển, cũng là đỉnh cao nhất vùng Hoa Bắc. Bồn địa thung lũng lớn nhất Sơn Tây là bồn địa Thái Nguyên kéo dài 160 km. Ở phía bắc Thái Nguyên có ba bồn địa riêng biệt, chúng đều là các khu vực canh tác, bồn địa Đại Đồng nằm xa hơn về phía bắc.

Sơn Tây có trên 1.000 sông lớn nhỏ, thuộc hai hệ thống sông lớn là Hoàng Hà và Hải Hà. Trong đó, con sông lớn thứ hai tại Trung Quốc- Hoàng Hà chảy từ bắc xuống nam dọc theo một hẻm núi ở ranh giới phía tây giữa Sơn Tây và Thiểm Tây, ở Phong Lăng Độ (風陵渡), Hoàng Hà chuyển hướng tây-đông và tạo thành một đoạn ranh giới giữa Sơn Tây và Hà Nam, tổng chiều dài Hoàng Hà tại Sơn Tây là 968 km. Ngoài Hoàng Hà ra, Sơn Tây có 5 sông có diện tích lưu vực trên 10.000 km², có 48 sông có diện tích lưu vực từ 1.000 km² đến 10.000 km², có 397 sông có diện tích lưu vực từ 100 km² đến 1.000 km².[12] Phần Hà là sông lớn nhất trong nội bộ Sơn Tây, chảy từ đông bắc xuống tây nam, chiều dài dòng chính là 694 km. Các chi lưu lớn của Hoàng Hà ở Sơn Tây bao gồm: Phần Hà, Thấm Hà, Đan Hà, Tốc Thủy Hà, Tam Xuyên Hà. Các chi lưu lớn của hệ thống Hải Hà trên địa bàn Sơn Tây là: Tang Can Hà, Hô Đà Hà, Trạc Chương Hà, Thanh Chương Hà. Diện tích lưu vực Hoàng Hà tại Sơn Tây là 97.138 km², chiếm 62% diện tích toàn tỉnh; diện tích lưu vực Hải Hà tại Sơn Tây là 59.133 km², chiếm 38% diện tích toàn tỉnh.

Ở các dãy núi, thường thấy một vài loại đất nâu nhạt hoặc đất rừng nâu, các thảo nguyên xuất hiện trên cao độ lớn hơn. Đất phù sa xuất hiện ở các khu vực trung bộ và nam bộ của Sơn Tây và chủ yếu tạo thành từ đất nâu đá vôi do Phần Hà bồi đắp. Tỉnh Sơn Tây cũng có trầm tích hoàng thổ và đá vôi. Nguồn tài nguyên hữu cơ tự nhiên của Sơn Tây không phải là nhiều, và có độ mặn quá mức.[13]

Sơn Tây nằm ở vùng có vĩ độ trung bình ở nội lục, thuộc vùng khí hậu ôn đới lục địa gió mùa, bán khô hạn. Do ảnh hưởng từ các nhân tố bức xạ Mặt Trời, hoàn lưu gió mùa và vị trí địa lý, khí hậu Sơn Tây có đủ bốn mùa phân biệt, mưa nhiệt cùng lúc, ánh nắng đầy đủ, có sự khác biệt khí hậu đáng kể giữa nam và bắc, có sự chênh lệch nhiệt độ lớn giữa mùa đông và mùa hè, ngoài ra giữa ngày và đêm cũng có sự chênh lệch nhiệt độ lớn. Nhiệt độ bình quân năm của các địa phương tại Sơn Tây biến đổi từ 4,2-14,2 °C,[12] về tổng thể thì tăng dần từ bắc xuống nam, thấp dần từ bồn địa lên vùng núi cao. Nhiệt độ trung bình tại Thái Nguyên vào tháng giêng là −7 °C và tăng lên 24 °C trong tháng 7; các số liệu tương ứng tại Đại Đồng là −16 °C và 22 °C.[13] Lượng giáng thủy trung bình năm của các địa phương tại Sơn Tây dao động từ 358-621 mm, thấp dần từ tây bắc đến đông nam, phân bố không đều theo mùa, tương đối tập trung vào mùa hè (từ tháng 6-8), chiếm 60% tổng lượng giáng thủy cả năm. Trong mùa đông, Sơn Tây thường xảy ra hạn hán do các cơn gió tây bắc khô thổi đến từ cao nguyên Mông Cổ. Trong mùa hè, gió mùa đông nam mang theo lượng ẩm thì lại bị Thái Hành Sơn chặn. Mưa đá là một mối nguy hiểm tự nhiên thường xuất hiện tại Sơn Tây, cùng với đó là nạn lũ lụt mà chủ yếu đe dọa khu vực dọc theo Phần Hà.

Sinh vật

Mặc dù đã bị con người khai phá để tiến hành hoạt động canh tác trong một thời gian dài, người ta đã phát hiện được hơn 2700 loài thực vật có mạch trên địa bàn Sơn Tây, trong đó có 463 loài cây thân gỗ. Thảm thực vật Sơn Tây từ nam lên bắc có thể phân thành: nam bộ và đông nam bộ chủ yếu là rừng lá rộng rụng lá và cây bụi rụng lá thứ sinh: rừng lá rộng xanh mùa hè hoặc rừng hỗn giao lá kim lá rộng, có nhiều loại thực vật nhất; trung bộ chủ yếu là rừng lá kim và cây bụi trung sinh, cũng có các rừng lá rộng xanh hè, là khu vực có diện tích rừng lớn nhất; bắc bộ và tây bắc bộ là nơi phân bố của các đám cây bụi cỏ và thảo nguyên bán khô hạn, rất ít thực bì rừng, các loại thực vật chiếm ưu thế là cỏ ngọn dài (Stipa bungeana), các loại cỏ sống được trong môi trường hạn và ninh điều (Caragana intermedia intermedia), sa cức (Hippophae) và các loại khác. Thông đỏ bắc phương Nam (南方红豆杉, Taxus chinensis var. mairei) là loài thực vật được bảo hộ cấp một quốc gia tại Trung Quốc; các loài được bảo hộ ở cấp hai có mặt trên địa bàn Sơn Tây là: cây liên hương (Cercidiphyllum japonicum), cây sí quả du (Elaeagnus mollis), liễu thủy khúc (Fraxinus mandschurica), thu hạch đào (Juglans mandshurica Maxim), đoạn Amur "(Tilia amurensis). Sơn Tây có hơn 1000 loài thực vật có thể dùng làm dược liệu, phân bố rộng rãi trên vùng đồi núi, có tiếng là đảng sâm (Codonopsis pilosula), hoàng kỳ (Radix astragali), cam thảo (Glycyrrhiza uralensis), liên kiều (Forsythia suspensa) và các loại khác.

Tỷ lệ che phủ rừng của Sơn Tây đạt 18,03%,[12] rừng chiếm khoảng một phần năm diện tích của tỉnh.[13] Tuy nhiên, tỉnh còn lại khá ít các khu rừng tự nhiên, chúng nằm ở những vùng đất nhỏ biệt lập tại sườn núi hướng về phía bắc. Tại Trung Điều Sơn (中条山) ở xa về góc đông nam của tỉnh, gần ranh rới với tỉnh Hà Nam, có một dải rừng nguyên sinh lớn. Sơn Tây cũng tiến hành trồng rừng trên khắp địa bàn, bao gồm cả việc trồng cây ở sát ngay các khu đất canh tác và trên các sườn núi.

Việc phá hủy các khu rừng nguyên sinh trong thời cổ đại đã loại bỏ hầu hết các loại động vật hoang dã tại Sơn Tây. Hiện nay, các loài động vật hoang dã ở Sơn Tây chủ yếu là loài sống trên cạn, đã biết được 439 loại (kể cả các loài đã tuyệt chủng). Trong đó, tỉnh có 71 loài động vật quý hiếm được bảo hộ trọng điểm cấp quốc gia, trong đó có 17 loại được bảo hộ cấp 1: Gà lôi tai nâu (Crossoptilon mantchuricum), đại bàng vàng (Aquila chrysaetos), cò quăm mào Nhật Bản (Nipponia nippon), hạc trắng (Ciconia ciconia), hạc đen (Ciconia nigra), đại bàng biển đuôi trắng (Haliaeetus leucoryphus), đại bàng đuôi trắng (Haliaeetus albicilla), sếu Nhật Bản (Grus japonensis), ô tác lớn (Otis tarda), chim diều râu (Gypaetus barbatus), Ichthyaetus relictus, hổ, báo hoa mai, hươu xạ Siberi (Moschus moschiferus), hươu xạ lùn (Moschus berezovskii). Các loài động vật hoang dã được bảo hộ trọng điểm cấp tỉnh có diệc xám (Ardea cinerea), gõ kiến nhỏ đầu xám (Picoides canicapillus) và 27 loại khác.[12]