離石區地處呂梁山腹地，地勢東高西寬，西低西窄，境內山多河少。北川河由北向南，東川河由東向西流經全境，兩河在城市西南匯合，再到交口街，河南川河再出境註入黃河。最高點是該區東北部的吉谷山，海拔2535米，最低點是三川河流域，海拔889米。境內東部為高寒山區，面積266.6平方公裏，占全區總面積的20%。是境內主要林區，適宜發展林業和畜牧業。在城市的東北部，有壹片連綿不斷的毛良山區，面積398.4平方公裏，占總面積的30%。城西的馬頭山和王老坡山橫亙南北，為黃土丘陵溝壑區，面積660平方公裏，占總面積的50%。石質山區和黃土丘陵區合計占全區總面積的80%，氣候溫和，幹旱少雨，但發展生產潛力大，是國內雜糧產區；中部是以北川、東川為主的河谷地區，土地肥沃，水源豐富，人口集中。它是中國重要的糧食和蔬菜基地。
從該區東南到東北邊緣，呂梁山作為屏障縱貫南北，主要是“關帝山穹丘隆起”，北起吉谷山，南至薛公嶺，與中陽縣獨峰坡山相連，長約80公裏，均為呂梁山的支脈或殘脈。尖山的支脈是小神頭和信宜南部的山。它呈東西走向，東起宋後茂，西至王營莊。它長約30公裏，隔著北海海溝與南面的北海山相對。它的東部是森林植被，西部是稀疏的森林和密集的灌溉。北海山系的分支，呈北東走向，位於陳家塔、王誌莊溝(武城斷裂)以西，西南延伸至油坊坪北脊。穿越尖山山支，長約15公裏，林灌茂密，灌草植被。從雲山的分支開始，就是大東川以南的山脈，東西走向。東起薛公嶺，向西南延伸至王營莊東溝西南的乳田山，南以中陽為界，長約35公裏。大多是茂密的灌草叢植被。在該地區的中北部，北街在北部，有玉林山和雙山山，南北走向，向北延伸到方山縣。境內西北部有馬頭山脈，自北向南向西，北至方山縣，南至棗林仙女山。西部與柳林縣交界處有王老坡山和吳彤燕山山，均為東西走向。水文學
境內地表水屬於黃河水系。除西部馬頭山以西地區屬於綏水河支流，東部西華鎮屬於汾河三道川支流外，其余均屬於三川河壹級支流。因為地處山西西部黃土高原，地勢東北高西南低。大東川、小東川、北川呈扇形，山谷呈樹枝狀。在大自然的切割下，淺的是溝渠，深的是河谷和河流，水系發達，水網密布，形成了山巒連綿、山脊起伏、溝壑縱橫、河谷有序的自然景觀。1公裏以上溝渠387條，其中3公裏以下307條，3-5公裏43條，10公裏28條，10公裏以上9條。三川河流域面積占全區總流域面積的71%，達到946.6平方公裏。全區水量小於2L/秒的泉有61個，主要分布在平頭鄉(11)、棗林鄉(8個)、西樹壩街道(4個)、城北街道(6個)、蓮花街道(1)、紅巖川鄉(2個)、交口街道(2個)、新義鎮(21)。水量大於2升/秒的泉有7處，分別是武城石窟泉、油坊坪泉、蓮花池泉、馬毛莊泉、響水巖泉、北海泉、龍山泉。
土地
根據1980土壤調查，全區土壤總面積為187370畝，可劃分為5個土壤類型，13個亞類，44個土壤屬，93個土壤種。亞高山草甸土分布在本區東北部海拔2200m以上的南雲頂山，四十裏賽馬土的頂部平臺和緩坡處，總面積1700畝。本區這種土壤只有壹個亞類，按母質類型分為壹個土屬和壹個典型土種，即石灰巖亞高山草甸土。棕壤廣泛分布於吉谷、北海、雲頂等山區。，海拔約1，800 ~ 1，850米。陽坡略高，溝壑、陰坡外側位置較低，總面積9.65萬畝。本區土壤類型分為三個亞類型，包括12個土屬和12個土種。黃綿土分布於黃土丘陵和部分低山峽谷，海拔約800 ~ 1800米，是該地區重要的農業土壤。土壤分為3個亞類，24個土屬，60個土種，總面積1747650畝。肉桂分布在呂梁嶺以東的西華鎮、廟底、莊爾上，海拔約1，690 ~ 1，850米。該地區只有兩個典型土屬，分為三個土種，總面積6630畝。草甸土分布在東、北川河兩岸的河漫灘和壹級階地，是該地區優良的農業土壤。土著種分為3個亞類，5個土屬，17個土種，包括黃綿土、輕草甸土、鹽化輕草甸土，總面積21190畝。離石區地表植被受地形、氣候、水文、海拔等多種因素的影響。，而且地貌單元差異很大，植被群落分布比較復雜。東北植被好，中西部植被差。全區植被覆蓋率不足30%。
森林植被主要分布在東北部的基巖山區，主要分布在吉谷山、雲頂山、尖山、北海等山區，大部分在新沂和吳城鎮，森林覆蓋率為29.6%。是全縣最好的地方，面積266.6平方公裏，占總面積的20%，是全區主要林區和林業基地。海拔1800米以上主要為針葉林覆蓋，海拔1400 ~ 1800米為針闊葉喬木和茂密灌草植被的混交林。
灌草植被主要分布在中西部的石質山區，除東南部的馬頭山、仙女山、榆林山、雙山山、齊雲山外，其余均在饅頭形、圓形起伏梁上。灌木多為黃荊、醋柳、胡枝子、達烏日等。草是旱生雜草，包括蒿、蘆葦、白羊草和狗尾草。
零星草灌植被主要分布在黃土塬和川谷地區，占總面積的壹半，是全區重點農田耕作區。有艾蒿、沙蓬、狗尾草、蘆葦、白羊草、莧菜、蒼耳等。懸崖、溝渠、墳墓上常見的灌木有荊條、枸杞、大棗、木瓜、胡枝子等。植被覆蓋度較小，壹般在5 ~ 10%之間，最高可達20%。