牡丹地區屬於黃河沖積平原，地勢平坦，土層深厚，土壤肥沃。沖積厚度壹般為20-30m，地勢西高東低。從北到南，呈東西向丘陵窪地相間、帶狀分布。海拔57.2-44m，地面坡度1/6000-1/10000。
牡丹區地處中緯度地區，在太行山、泰山、伊山之間的南北狹道上，屬於溫帶季風大陸性氣候，主要特點是夏熱冬冷，四季分明。春季雨水少，南北風交替頻繁，氣溫上升快，春夏轉換快；夏季炎熱潮濕，以偏南風為主，降雨相對集中。
牡丹區秋季雨量逐漸減少，主要受偏北風影響，氣溫下降較快；冬天雨雪少，偏北風，氣候幹冷。全年日照充足，熱量豐富，雨熱同季，適宜農作物生長，但降雨時空分布不均，異常天氣多。氣溫趨於偏暖，極端氣溫(最高和最低)趨於減弱，大風時數和最大風速明顯減少。