白城市位于吉林省西北部，嫩江平原西部，科尔沁草原东部。东经121°38’－124°22’,北纬44°13’57"－46°18’。东、东南与吉林省松原市的前郭尔罗斯蒙古族自治县、乾安县接壤；南与吉林省松原市的长岭县毗邻。西、西北与内蒙古自治区的科尔沁右翼中旗、突泉县、科尔沁右翼前旗相连；北、东北与黑龙江省泰来县、杜尔伯特蒙古族自治县、肇源县隔江相望。全市南北长230公里，东西宽211公里，总面积25 685平方公里。
地势由西北向东南依次为低山、丘陵、平原、西南略有抬升。西北部为大兴安岭东麓褶皱地带，分布着丘陵和低山，海拔300－662.6米；东北、东南部为平原，海拔130－140米；西南部广泛分布西北至东南走向的大小沙丘、沙垄，海拔150－180米，是潜化沙漠区。最高山峰敖牛山，海拔662.6米；最低地区为镇赉县和大安市境内的月亮湖地区，海拔一般为130米左右。
白城市属温带大陆性季风气候。年均日照时数2919.4小时，年均气温4.9°C，无霜期157天，满足了农作物生长的需要，光热条件优越于全省其他地区。年均降水量407.9毫米，分布不均，秋冬雨雪少，春季降雨少。大风日数多，年均8级以上大风24天。冰雹出现5－9月。
水域宽广，主要河流9条。嫩江由镇赉县丹岱乡十家子屯入境，在大安市四棵树屯流出，境内江长184公里。洮儿河由洮北区岭下乡半拉山入境，流经洮北区、洮南市、镇赉县、大安市，由月亮湖注入嫩江，境内河长285.83公里。还有霍林河、蛟流河、那金河、呼尔达河、二龙涛河、额木太河、文牛格尺河。低洼地带散布着湖泡百余个，提供了养殖、灌溉之利。主要有月亮湖、新荒泡，牛心套保泡、哈尔挠泡、洋沙泡、四家泡、老鸹窝泡、莫什海泡、郭家店泡、莫莫格泡、鹅头泡、小西米泡、新平安泡、西二龙泡、他拉红泡、小香海泡等。总水域面积3 029平方公里，占幅员12.49％，占全省水域面积31.06％，居全省各市（州）之首。