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시의 북부에는 망미산맥의 지맥이 다시 융기해 망일산(302m)을 중심으로 곳곳에 저산성 구릉지를 이루고 있으며, 시의 동남부에는 차령산맥의 줄기가 뻗어내려 시의 최고봉인 가야산(678m)을 중심으로 삼준산(490m)·석문봉(653m) 등이 남북으로 이어져 시계를 이루고 있다.

시의 중심부를 향해 고도가 점차 낮아지면서 평야와 낮은 구릉지가 혼재되어 전개되다가 시의 서부로 가면서 지세가 다시 높아져 연화산(234m)·팔봉산(362m)·도비산(352m) 등이 남북방향의 지맥을 형성해 태안반도와 내륙을 경계짓고 있다. 서산읍에 해당했던 동지역의 지세는 크게 북서부의 구릉성산지와 남동부의 구릉지, 시 중앙에 발달한 평야지대로 구분되며 남부는 천수만에 잇닿아 있다.

큰 하천은 없으나 용장천·대교천·해미천·성연천·명천천·예덕천·청지천 등 40여 개의 소규모 하천이 곳곳에 산재한 저수지와 함께 인근의 곡창지대에 농업용수를 공급하고 있다. 성암저수지를 이루는 대교천이 중앙부를 남류하며, 산수저수지를 이루는 해미천과 만나 서해로 흘러든다. 북부를 지나 대호방조제로 북류하는 성연천과 그 지류인 명천천·예덕천 연안에는 평야가 발달되어 있는데, 특히 대교천과 용장천 일대의 넓은 충적평야는 새로운 간척지와 함께 시의 대표적인 곡창지대를 이루고 있다.

고풍저수지를 이루는 용장천은 이 지역의 최대 하천으로서 당진군을 지나 서해로 북류하는 역천의 지류이다. 그밖에 장림천·사장천 등과 성암·산수·고남·풍전·가사 등의 저수지들이 농업용수로 이용되고 있다. 시 남부의 천수만 일대는 조석간만의 차가 심하여 항구의 발달은 미약하지만 간석지가 발달하여 천일제염의 생산과 양식업이 발달했으나 간척사업으로 인한 생태계의 변화로 쇠퇴하고 있다.

이곳의 식생은 낙엽활엽수 혼합림대에 속하며, 주요수종인 소나무와 함께 상수리나무·떡갈나무·신갈나무·눈개비잣나무·팽나무·백동백나무 등이 교목 혹은 관목의 상태로 혼생되어 있다.

기후는 바다의 영향을 많이 받으나 겨울에는 북서계절풍의 영향으로 추운 편이다. 연평균기온 11.6℃ 내외, 1월평균기온 －2.3℃ 내외, 8월평균기온 24.9℃ 내외이며, 연평균강수량은 1,216.1㎜ 정도이다.