大同市位于山西省最北端，东经112°34′——114°33′，北纬39°03′——40°44′。北以外长城为界，与内蒙古自治区乌兰察布市的兴和县、丰镇市、凉城县毗邻，西、南与本省朔州市的右玉县、怀仁市、应县及忻州市的繁峙县相连，东与河北省张家口市的怀安县、阳原县、蔚县及保定市的涞源县、阜平县接，公路里程距北京约330千米、太原约290千米、呼和浩特约300千米；为首都之屏障、全晋北方之门户，且扼晋、冀、内蒙之咽喉要道，是历代兵家必争之地。
大同地处温带大陆性季风气候区，受季风影响，四季鲜明。春季气温回升很快，平均气温6.5~9.1℃，总是乍暖还寒，多大风，降雨较少，平均降水量仅为56.1mm，占年降水量的14.6%。夏季气候温和，平均气温在19~21.8℃之间，雨水集中，平均降水量为246.9mm，占全年降水量的64.3%。秋季来临后气温逐渐下降，平均气温在5.8~8.4℃之间，平均降水量为72.96mm，占全年降水量的19%。冬季较春夏秋三季漫长，长达四个多月，盛行西北风，日短天寒。平均气温在-12.8~-6.3℃之间，最冷月为1月份，平均气温是-11.3℃。平均降水量为8.06mm，占全年降水量的2.1%。
大同市气候干寒多风，温差较大，年均气温6.4℃，一月零下11.8℃。最低温度零下29.2℃，七月平均气温21.9℃，年降水量400至500毫米，初霜期为九月下旬，无霜期125天左右。