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차령산맥의 북쪽 줄기에 해당하며, 시의 대체적인 지세는 북부평지와 동부산지 그리고 남부산지로 나눌 수 있다. 저위침식면에 해당하는 북부평지는 대부분 높이 100m 이하의 기복이 적은 구릉지를 이루며 성환읍·성거읍·입장면·직산면 등이 위치한다. 낮은 구릉지 위를 성환천과 입장천이 나란히 북류하여 안성시와의 경계에서 안성천과 합류하며, 하천 유역에는 넓고 비옥한 소사들·새밭들 등의 충적평야가 발달해 있다. 이 평야는 경기평야 남부를 차지하고 있어 주요 쌀 생산지가 되고 있다.
남서부에 광덕산(699m)·망경산(600m)·태화산(456m), 중서부 지역에 성거산(579m)·흑성산(519m)·태조봉, 동부에 몽각산(403m)·환희산(402m), 중앙에 위례산(524m)·작성산(497m)·은석산(455m)·개죽산(452m) 등이 솟아 있다. 이들 산지 사이를 흐르는 주요하천으로는 병천천(竝川川)·풍세천·성환천 등이 있다. 병천천은 산방천·승천천·광기천·녹동천 등의 주요지류를 합하며 동부를 남쪽으로 흐르다가 다시 동쪽으로 흘러 충청북도 청원군 강외면과 강내면의 경계에서 미호천에 합류한다. 풍세천은 남부를 북쪽으로 흘러 풍세면을 지나 아산시 배방면에서 곡교천에 합류한다. 중심시가지를 흐르는 천안천은 안서천·원성천·삼룡천·구룡천 등을 합류하여 저위침식면을 남서류한다.
천안천의 동부 구릉지대에는 구시가지가, 그 서쪽에는 신시가지가 형성되어 있다. 지질은 산지의 대부분이 화강편마암을 이루고 있으며, 구릉지는 대보화강암으로 이루어져 있다. 기온의 연교차가 큰 대륙성기후의 특성을 나타내며, 연평균기온은 12.3℃ 내외, 1월평균기온은 -0.3℃ 내외, 8월평균기온은 25.3℃ 내외이며, 연평균강수량은 1,188㎜이지만 해에 따라 변동이 크다.
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