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시의 동부와 중동부에 천호산(天壺山:500m)·용화산(龍華山:342m) 등이 솟아 있으나 시 전체는 대체로 낮고 평탄한 구릉지와 넓은 평야이다. 곳곳에 시대산(始大山:228m)·오금산(五金山:129m) 등의 구릉지가 솟아 있다.
금강이 서북쪽 경계를 곡류하며, 강경천·부곡천·함열천 등이 금강에 유입한다. 탑천이 시의 중서부를 남서류해 시의 남부를 흐르는 만경강 하구에 흘러든다. 만경강은 전형적인 자유곡류 하천으로 익산시와 김제시의 경계를 따라 서류하다 서해로 유입한다.
일대의 충적지는 후빙기의 해면상승으로 침식기준면이 높아지면서 빙하기에 깊이 패인 골짜기에 하천퇴적물이 매립되면서 발달한 것이다. 또한 만경강은 조석의 영향을 받는 감조하천으로 조수의 영향을 받았던 흔적이 곳곳에 나타난다. 이들 하천유역에는 넓은 평야가 발달했다. 구릉지의 토양은 화강편마암이 오랫동안 심층풍화를 받아 형성된 적황색토이고, 충적평야의 토양은 점토질의 회색토 및 충적토이다.
한국의 전체 기후구를 나눌 때 이 지역은 남부서안형 기후에 속한다. 통합전 익산군 지역의 연평균기온은 12.7℃ 내외, 1월평균기온 -1.2℃ 내외, 8월평균기온 26.1℃ 내외이고, 연평균강수량은 1,377.6㎜ 정도로 지형성 강우의 영향으로 해안지방보다 비가 많다. 한편 통합전 이리시 지역의 연평균기온은 12.2℃ 내외, 1월평균기온 -1.7℃ 내외, 8월평균기온 25.6℃ 내외, 연평균강수량은 1,280㎜ 내외이다. 식생은 낙엽활엽수림대에 속하며, 참나무·느티나무·노간주나무 등 온대성 식물들이 분포한다.
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