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서부에는 아호비령산맥, 동부·북부에는 마식령산맥이 뻗어내려 1,000m 이상의 높은 산지를 이루고 있다. 동부에는 고준봉(1,121m)·광암산(1,198m)·대화봉(1,369m)·저두봉(1,340m), 서부에는 육판덕산(1,323m)·동백년산(1,251m), 남부·북부에는 두류산(1,323m)·덕골산(1,129m)·삿갓봉(1,309m)·봉황산(1,257m) 등이 솟아 있다.

특히 북부에는 한반도의 지형을 동서로 구분하는 경계인 아호비령(641m)과 마식령(768m)이 있다. 임진강·마탄강·고미탄천·상서천 등이 군내를 흐르며, 산지하천의 특성이 나타나 유량이 풍부하고 하상의 경사가 급하여 유속이 빠르다. 주요기반암은 황주계 석회암과 화강암이며, 그밖에 규암·결정편암 등이 있다. 토양은 갈색삼림토가 대부분이며, 하천 연안에는 충적토가 분포한다. 지하자원으로는 구리·라듐·중정석이 있다.

한서의 차가 큰 대륙성기후의 특색이 잘 나타난다. 연평균기온 8.5℃ 내외, 1월평균기온 －6.6℃ 내외, 8월평균기온 22℃ 내외, 연평균강수량 1,059㎜정도이다. 산림은 군면적의 90% 이상을 차지하며, 산림자원이 풍부하다. 주요수종은 소나무이며, 그밖에 참나무·피나무·사스래나무·잣나무·전나무·가래나무·황철나무 등이 자란다. 또한 약초와 사료용 작물이 풍부하다.