大同位于山西省最北端，地处黄土高原东北边缘。北以外长城为界，与内蒙古自治区丰镇、凉城县毗邻，西、南与本省朔州市、忻州地区相连，东与河北阳原、涞源蔚县相接，东北与河北怀安县相邻。大同境内地貌类型复杂多样，山地、丘陵、盆地、平川兼备。土石山区、丘陵区占总面积的80%。西北部山脉属阴山山脉和吕梁山脉，主要有双山、二郎山、云门山、釆凉山等。东南部山脉属太行山脉，主要有恒山、太白山等。

桑干河自西南向东北横贯全市，形成了周围高、中间低、形成了周围高、中间低、两山夹一川的槽型盆地。除桑干河外，境內主要河流还有属海河水系的御河、南洋河、壹流河、唐河和属黄河水系的苍头河。

山西大同的地理位置特点在华北地区。

大同有云冈石窟、华严寺、善化寺、恒山、悬空寺、九龙壁等，是中国首批13个较大的市之一、中国九大古都之一