神木县位于黄河中游,长城沿线,陕西省的北端,约在北纬38°13′至39°27′、东经109°40′至110°54′之间,北接内蒙古,东隔黄河与山西相望,西越榆林、定边直通宁夏,雄踞秦晋蒙三角地带中心,史称“南卫关中,北屏河套,左扼晋阳之险,右持灵夏之冲”,素为塞上重地。
神木县境版图近似菱形,南北最大长度约141公里,东西最大宽度约95公里。县城东至马镇镇葛富村65公里,隔黄河与山西省兴县裴家川乡相望;西至尔林兔镇石板太村54公里,与内蒙古自治区伊金霍洛旗的巴旱采当为邻;南至万镇镇的界牌村85公里,隔黄河与山西省兴县大峪口乡相望;北至大柳塔镇后石圪台村77公里,与内蒙古自治区伊金霍洛旗的乌兰木伦庙毗连。全县总面积为7635平方公里,居全省各县之首。辖神木、尔林兔、大柳塔、店塔、高家堡、贺家川、万镇、大保当、中鸡、孙家岔、栏杆堡、麻家塔、解家堡、沙峁、马镇、乔岔滩、锦界、花石崖、太和寨等19个乡镇,739个行政村。总人口37万人,其中农业人口27万人。
神木县地形西北高东南低。最高点在中鸡镇木独石梨村,海拔1448.7米。最低点在万镇镇西豆峪村,海拔738.7米。最大相对高差700米。按照地形特点,全县可分为北部沙漠草滩区、中部丘陵沟壑区和黄河沿岸土石山区。沙漠草滩区包括大柳塔、尔林兔、大保当、中鸡、孙家岔、麻家塔、店塔、锦界等乡镇,约占全县总面积的51.3%。该区地势较为平坦,海拨在987—1449.4米之间,表面为波状起伏的风成沙丘,沙丘间形成大小不等的滩地(俗称洼地),其周边微向中心倾斜,滩地中心与边缘呈缓坡过渡,高差约为10~30米。滩地中湿生植物茂密,多为草原和农耕地,低洼部位由于地下水与地表水的补给,形成沼泽式水泊(俗称海子)。该区土地平旷,地下水位高,水源充足,适宜发展灌溉农业,其中大保当、尔林兔等乡镇被列为全省重点井灌区,拟建成大型商品粮、菜、肉生产基地;加之牧野广袤,水草肥美,饵料充足,也是全县发展牧业的理想场所。西汉王朝六大马场之一的“天封苑”就建于该地区,《汉书》中曾描述为“水草丰茂,牛马衔尾,”确富有“天苍苍,野茫茫,风吹草低见牛羊”的草原气息。中部丘陵沟壑区包括神木、乔岔滩、花石崖、太和寨、栏杆堡、解家堡、高家堡等乡镇,约占全县总面积的37.76%。该区海拔901~1337米不等。梁多峁少,梁面呈鱼脊形。梁峁上土层深厚,窟野河、秃尾河两岸较为宽阔平展,日照充分,雨热同季,适宜建成豆类、果品生产基地。黄河沿岸土石山区包括马镇、贺家川、万镇、沙峁等乡镇,约占全县总面积的10.94%。该区海拔724—1161米不等,相对高差较大,山大沟深,石多土薄,水土流失严重。山顶上覆盖着一层薄的红粘土,黄土层为农耕地,是传统的红枣、杂豆产区,目前已有枣田17万亩,所产红枣以皮薄肉厚、色泽鲜艳驰名省内外。
由于受极地大陆冷气团控制时间长,受海洋热带气团影响时间短,加之深居内陆,地势较高,下垫面保温、保水性不好,神木县大陆性气候显著。其主要特点是寒暑剧烈,气候干燥,灾害频繁,四季分明。冬季漫长寒冷,夏季短促,温差大;冬季少雨雪,夏季雨水集中,年际变率大;多西北风,风沙频繁,无霜期短,日照丰富,光能强,积温有效性大。四季划分是以气候平均气温小于0℃为冬,大于20℃为夏,0℃—20℃为春秋。春季风大沙多,冷热剧变,气候干燥。季平均降水量57毫米,占全年总量的12.9%,属于干旱期。夏季高温炎热,雨水集中,雷暴频繁。季平均降水量282.4毫米,占全年总量的64.1%。7~8月为半湿润和湿润期。秋季雨季终止,暑日清退,秋高气爽,天气晴朗。季平均降水量93.6毫米,占全年总量的21.2%,属半干旱和干旱期。冬季严寒干燥,多西北风,降雪稀少。季平均降水量8毫米,以雪为主,仅占全年总量的2%,属于干旱期。
神木县年平均日照2875.9小时,日照百分率为65%,是陕西省多日照、强辐射区之一。境内气温南高北低,东高西低,最高在贺家川,最低在尔林兔,全县年平均气温8.9℃,年极端最高气温38.9℃,年极端最低气温-28.1℃。全县平均年降水量440.8毫米,年内和年际变化均大。年均蒸发量为1336.6毫米,是降水量的3倍,由西北向东南降低,每10公里蒸发量约降低23.8毫米。境内盛行偏西和西北大风,全年平均大风日数14天。
境内主要河流有黄河、窟野河、秃尾河和流入红碱淖的几条内陆河流。由于受地质构造和地貌等自然因素的影响,窟野河、秃尾河都由西北流向东南流入黄河。
黄河由府谷县白云乡流入县境,沿马镇、沙峁、贺家川、万镇4乡镇的东南边缘流至界牌村进入佳县,流长98公里。流域面积包括4个乡镇,219个村庄,计107.6平方公里。
窟野河发源于内蒙古伊克昭盟的拌榆河,由北部偏东方向流至石圪台进入县境。在房子塔以西的河流称为乌兰木伦河,在房子塔以东的河流称为牛孛 牛河,两河在房子塔相汇后称窟野河,流至贺家川镇沙峁头村入黄河。全长221公里,县境流长159公里。县境流域面积包括大柳塔、中鸡、孙家岔、麻家塔、店塔、神木镇、栏杆堡、解家堡、太和寨、沙峁、贺家川等乡镇,496个村庄,计3867.7平方公里。主要支流有乌兰木伦河、牛孛 牛川、考考乌素沟、常家沟、黄羊城沟、永兴沟、麻家塔沟、西沟、呼家圪台沟、阳崖沟岔河、大路沟、解家堡沟、河津寺沟、燕岔沟、牛栏沟、清水坪沟、王家沟、贾家沟、温家川等。年平均径流约7.67亿立方米,受降水影响很大,洪枯季节明显。
秃尾河发源于锦界镇的宫泊海子,宫泊沟、谷丑沟两大支流在乌鸡滩汇流后称秃尾河。流经锦界、高家堡、乔岔滩等地至万镇镇河口岔村入黄河,全长140公里。主要支流有谷丑沟、河子沟、青草沟、枣稍沟、黑龙沟、青杨树沟、青水沟、团团沟、喇嘛沟、红柳沟、洞川沟、则里沟、乔岔滩沟、刘家畔沟、芦家铺沟、跃邦沟、高新庄沟等。流域面积包括锦界、大保当、高家堡、花石崖、万镇等乡镇,163个村民,计2370平方公里。年径流总量为4亿立方米。水文特征基本与窟野河相同。
流入红碱淖海子的有蟒盖兔河、齐盖素河、尔林兔河、前庙壕河、扎萨毫赖河。这些河流都有间歇特征。