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차령산맥의 줄기가 충청북도와의 경계를 이루면서 시의 동부를 북동-남동 방향으로 뻗어내리고 있다. 시의 북서부에는 덕암산(165m)·고성산(298m)·신선봉(308m) 등의 구릉성 산지가 솟아 있다. 동남부에 솟은 칠현산(516m)·칠장산(492m)·서운산(547m)·덕성산(521m) 등은 차령산맥의 주봉이며, 이들 산지는 안성천·남한강·금강 수계의 분수령을 이루고 있다.

서운산에서 발원하는 청룡천·월동천, 용인군 원삼면에서 발원하는 한천 등은 안성천으로, 일죽면의 청미천, 삼죽면의 죽산천은 남한강으로, 죽산면의 칠장천·개좌천은 금강으로 각각 흘러든다. 시의 대부분은 안성천 유역에 속하며, 안성천 연안에는 충적평야가 넓게 발달되어 있다. 안성시내는 차령산맥에서 흘러나오는 안성천 본류의 곡구, 즉 충적평야의 상단부에 자리잡고 있다. 고삼·금광·마둔·칠곡 등의 저수지는 주요 관개용수원이다.

기후는 연교차가 큰 대륙성기후를 나타내며 연평균기온 11℃ 내외, 1월평균기온 －4℃ 내외, 8월평균기온 26℃ 내외이고, 연평균강수량은 1,200㎜ 정도이다.