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차령산맥의 말단부에 해당하여, 시의 전체적인 지세는 용인시와의 경계를 이루는 북동부산지를 제외하면 대부분 50m 내외의 낮은 구릉지와 넓은 충적평야를 이루고 있다. 북동부에는 무봉산(209m), 북서부에는 덕지산(德智山 : 138m)·무성산(武城山 : 112m), 통합 이전 평택시와 송탄시였던 동부에는 불악산(151m)·덕암산(165m)·팔용산(132m), 남쪽에는 고등산이 솟아 있으며, 서쪽은 봉화재(112m)가 있을 뿐 서해에 면하고 있다.

주요하천으로 안성천·진위천·발안천·둔포천 등이 있다. 안성천은 시의 남서부를 서류하며, 덕암산에서 발원한 도일천과 안성군 백연봉(236m)에서 발원한 원곡천이 합쳐져서 아산만으로 흘러든다.

진위천은 평택시의 주천으로 용인시 부아산(404m)에서 발원하여 남류하다가 오산천·황구지천·관리천·좌교천 등 크고 작은 지류를 합하고 안성천과 합류한다. 시의 북서부를 흐르는 발안천은 화성시와 경계를 이루면서 남양호에 흘러들며, 둔포천은 아산시와 경계를 이루며 시의 남동부를 흐른다. 안성천과 진위천의 유역 일대에는 하천의 퇴적작용으로 이루어진 비옥하고 넓은 충적평야와 하류의 간척평야로 이루어진 안성평야가 펼쳐져 있다. 진위천·안성천 하류 서안과 아산만 북부연안은 평택지구 대단위 농업종합개발사업에 의해 아산만 방조제와 남양방조제를 쌓아 농경지 1만 6,000ha와 간척농지에 농업용수를 공급할 수 있는 대규모 인공 담수호를 조성했다.

서해안의 영향으로 비교적 기온의 연교차가 작은 온화한 기후를 보인다. 연평균기온은 12.3℃ 내외, 1월평균기온은 -2.3℃ 내외, 8월평균기온은 26℃ 내외이다. 연평균강수량은 1,226.4㎜ 정도이지만 연간변동률이 커서 800~1400㎜의 변화를 보인다.

소나무·참나무·떡갈나무·오리나무·밤나무 등이 주로 자라고 있다.