延安市位于黄河中游，属黄土高原丘陵沟壑区。延安地貌以黄土高原、丘陵为主。地势西北高东南低，平均海拔1200米左右。北部的白于山海拔1600—1800米，最高点在吴旗县五谷城乡的白于山顶，海拔1809.8米；最低点在宜川县集义乡猴儿川，海拔388.8米，相对高差1421米。北部以黄土梁峁、沟壑为主，占全区总面积72%；南部以黄土塬沟壑为主，占总面积19%；全区石质山地占总面积9%。西部子午岭，南北走向，构成洛河与泾河的分水岭，是高出黄土高原的基岩山地之一，海拔1500—1600米，主峰1687米；东部黄龙山，大致呈南北方向延伸，海拔1500米，主峰（大岭）海拔1788.7米；中部劳山，呈西北——东南走向，平均海拔1400米，主峰（大墩梁）海拔1464米。黄龙山和劳山统称为梁山山脉，形成延安地区地形的骨架。

延安市属于暖温带半湿润易旱气候区，全年气候变化受制于季风环流。