Trương Gia Khẩu nằm ở phía tây bắc của tỉnh Hà Bắc, và được xác định bởi địa hình phần lớn gồ ghề được tạo ra bởi dãy Âm Sơn, với độ cao tăng dần từ đông nam đến tây bắc. Phía đông của tỉnh đánh dấu dãy Yên Sơn. Các thành phố giáp ranh trong tỉnh là Thừa Đức ở phía đông bắc và Bảo Định ở phía nam. Nó cũng giáp Sơn Tây ở phía tây và tây nam và Nội Mông ở phía tây bắc. Vĩ độ của thành phố dao động từ 39 ° 30 'đến 42 ° 10' N, hoặc 289,2 km (179,7 mi), trong khi kinh độ của nó kéo dài 113 ° 50 'đến 116 ° 30' E, hoặc 216,2 km (134,3 mi).

Thành phố Trương Gia Khẩu được chia thành ba khu vực địa hình: cao nguyên, núi và lưu vực. Trước đây có độ cao thường trên 1.400 mét (4.600 ft), và bao gồm tất cả các quận Guyuan và Kangbao cũng như một phần của các quận Shangyi và Zhangbei. Khu vực này là một phần của đầu phía nam của cao nguyên Nội Mông (内蒙古 高原) và chiếm một phần ba diện tích của thành phố. Khu vực lưu vực có độ cao từ 500 đến 1.000 mét (1.600 đến 3.300 ft) và hỗ trợ một vài con sông.

Trương Gia Khẩu có khí hậu bán khô hạn lục địa, chịu ảnh hưởng của gió mùa (Köppen BSk), với mùa đông dài, lạnh, khô và lộng gió do áp cao Siberia và mùa hè nóng ẩm do ảnh hưởng của gió mùa Đông Á; ở giữa mùa xuân và mùa thu là khô và ngắn. Thời tiết ở đây ôn hòa hơn nhiều so với ở Bắc Kinh một phần do độ cao. Nhiệt độ trung bình 24 giờ hàng tháng dao động từ -8,3 °C (17,1 °F) vào tháng 1 đến 23,7 °C (74,7 °F) vào tháng 7 và trung bình hàng năm là 8,81 °C (47,9 °F).