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차령산맥의 남서단에 위치하여 장항선을 경계로 동북부는 주로 산지이고 서쪽은 대체로 평지이다. 그 사이는 남북으로 길게 산록완사면이 발달되어 산지와 평지의 점이지대를 이룬다. 차령산맥은 점차 낮아져 낮은 구릉을 형성하며, 미산면·청라면·성주면을 제외하고는 대부분의 지역에 비옥한 평야가 펼쳐져 있다.

북동부에 오서산(791m), 동부에 성주산(680m)·성태산(631m), 중부에 옥마산(602m) 등이 솟아 서쪽 해안부로 갈수록 평지가 넓어진다. 오서산은 삽교천·무한천·대천천·광천천·진죽천의 발원지이며, 이 하천들은 시내 벼농사의 젖줄이 되고 있다. 대천천이 흘러드는 홍천저수지에서 지류인 복병천·의평천이 합류하여 서해롤 흘러든다. 대천천·주교천 유역에는 대천평야 등의 유역평야와 청천저수지를 비롯한 많는 소택지들이 분포하고 있어 농경지로 이용된다.

남동부 산악지대에는 웅천천·풍산천에 의해 협곡이 형성되었으며, 산간곡저를 따라 평야가 좁게 발달했다. 특히 보령시에서 제일 긴 하천인 웅천천은 성태산에서 발원하여 미산면 중서부를 지나 웅천평야를 이루고 서해로 유입한다. 대천동·내항동·갓바위 일대의 해안 간석지는 간척지로 조성되어 농경지화되었다. 보령시는 15개의 유인도와 63개의 무인도를 포함하고 있다. 해안일대는 리아스식 해안으로서 간만의 차가 크고(7.2m) 수심이 얕아 어족의 번식에 적합하여 각종 수산물 양식의 최적지이다. 신흑동의 대천해수욕장 일대에는 대규모의 해안사빈이 형성되어 있다.

지질은 중서부지역에 선캄브리아시대의 편암 또는 화강암질 편마암과 쥐라기의 남포층군이 분포한다. 기후는 서해안에 면해 있어 대륙성기후와 해양성기후의 특징이 동시에 나타난다. 통합 전 보령시 지역의 연평균기온은 12.1℃ 내외, 1월평균기온 －2.2℃ 내외, 8월평균기온 26.2℃ 내외이며, 연평균강수량은 1,128㎜ 정도이다. 쾌청일수는 약 200일로 전국적으로 보아 많은 편이고, 일조일수는 60~70% 내외로 해안지역일수록 높아져 염전과 여름철 해수욕에 좋은 날씨가 계속된다.

식생은 참나무·소나무·단풍나무 등 침엽수와 활엽수가 혼재되어 있으며 굴피나무·물푸레나무·팽나무 등 희귀한 나무들도 자란다. 인근 섬에는 후박나무·치자나무·동백나무 등이 자란다. 한편 통합 전 대천시 지역의 연평균기온은 12.3℃ 내외, 1월평균기온 －6.1℃ 내외, 8월 평균기온 30.4℃ 내외이고 연평균강수량 1,170㎜ 정도이다.