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해안지역을 제외한 대부분의 지역은 산악지형을 이루고 있다. 대체로 서부에서 동부로 갈수록 낮아지며, 동부 해안지대에는 농경에 유리한 충적지가 펼쳐져 있다.

함경산맥이 뻗어 있는 북부와 서부 경계에는 우리나라에서 2번째로 높은 관모봉(2,540m) 을 비롯하여 도정산(2,199m)·궤산봉(2,277m) 등의 2,000m 이상의 산과 대련골산(1,549m)·용마산(1,876m)·백사봉(1,479m)·입석산(1,980m)·서수산(1,173m)·궁두산(1,226m) 등의 높은 산이 솟아 있다.

주을천·온천천·포로천·세골천 등의 크고 작은 하천이 산간계곡을 흐르고 있으며, 함경산맥에서 발원하여 북서-남동 방향으로 흐르는 주을천은 지류와 합류하여 동해로 흘러든다. 해안선은 비교적 단조로우며, 수심이 깊다. 지하자원으로 고령토·점토·석탄 등이 매장되어 있다.

기후는 바다의 영향을 받아 비교적 온난하며, 봄과 초여름에는 안개가 끼는 날이 많다. 연평균기온 6.6℃ 내외, 1월평균기온 －8.1℃ 내외, 8월평균기온 21℃ 내외, 연평균강수량 650㎜ 정도이다. 산림은 군 면적의 90％를 차지하며, 소나무·이깔나무·잣나무·분비나무·참나무·박달나무·뽕나무 등이 자란다. 특히 서부의 높은 산지에는 노랑만병초·누운잣나무 등의 고산식물과 왕대황을 비롯한 약용식물들이 자생한다.