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연백평야 동부에 해당하는 지역으로 군면적의 90％ 이상이 200m 이하의 평야와 구릉으로 이루어져 있다. 군의 중앙에 치악산(360m), 북부에 운두봉(287m)·황의산(478m)·광석산(295m), 서부에 용각산(365m) 등이 솟아 있다. 동부 경계를 흐르는 예성강과 그 지류인 한교천·나진포천 등이 남류해 서해로 흘러든다.
청단관개체제의 일환으로 갑문과 호국저수지·예의저수지 등을 건설해 농업용수의 공급에 큰 변화를 가져왔다. 기반암은 편마암·결정편암·화강암 등으로 이루어져 있으며, 철·구리·납·아연·주석 등이 풍부하다. 토양은 갈색삼림토·충적토·염류토로 이루어져 있다. 해안선은 단조로우며, 간석지가 발달해 있다. 해안선길이는 41.5㎞이며, 근해에 역구도가 있다.
연평균기온은 11℃ 내외, 1월평균기온 －5℃ 내외, 8월평균기온 24℃ 내외, 연평균강수량 1,286㎜ 정도이다. 산림은 군면적의 30％를 차지하며, 소나무가 울창한 단순림이 대부분이다. 그밖에 저지대에는 참나무·밤나무·호두나무·고염나무·굴피나무 등의 온대식물이 분포한다.
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