五原地處內蒙古河套平原腹地，縣域南臨黃河（屬黃河最北端），北有陰山橫亙，東臨鹿城包頭，西與臨河區接壤，是一顆有著兩千多年文明歷史的塞上明珠。縣境東西最長82公里，均長62.3公里，南北最寬55.5公里，均寬40公里。總面積2492.9平方公里。占河套灌區總面積的1/4。本縣在大地構造單元上，屬陰山天山緯向構造帶，并受新華夏系構造的影響，形成內陸斷陷盆地，整個轄區屬河套平原，為第四紀松散的地層所覆蓋，沉積了較厚的湖相地層。上部是沖積、風積層，主要巖性為細砂、粉砂和砂粘土互層。砂層層理清晰，厚度 10－70米。中部為河湖交替層，主要巖性為淤泥質、粉砂與粘土互層。下部為巨厚的新老第四紀湖相沉積層，主要巖性為淤泥質砂粘土。土質膏腴肥美，適于農作物及各種植被的生長。雖然有的土地呈鹽堿化，但并不影響耐堿作物，如葵花、枸杞等作物的生長。
五原境內因黃河沖積層在長期風蝕作用下形成許多風蝕洼地和黃河改道時沖刷的天然壕溝。這些洼地與壕溝長年積水，形成大小不同的海子（湖泊，俗稱泊爾洞）。全縣有面積三畝以上的海子 171個，總面積 5.45萬畝；其中千畝以上的海子 5個，總面積 1.06萬畝；百畝以上的海子 37個，總面積 1.33萬畝。海子水深大于 1.5米的 116個，面積 2.71萬畝。 1986年已被利用的水面 3.8萬畝，占 70％。這些海子大多分布在縣境西部的塔爾湖鎮、銀定圖鎮、新公中鎮，以及縣境南部的套海鎮、東部的勝豐鎮、隆鎮也有零星分布。
全縣土地總面積374萬畝，其中可耕地164.5萬畝，熟耕地130.98萬畝，可該改造中低產田100萬畝，待開發荒地100萬畝，果園地4.17萬畝，林地18萬畝，草地30萬畝。農業人口21.4萬人，人均耕地面積6.12畝。氣候屬于中溫帶大陸性氣候，具有光能豐富、日照充足、干燥多風、降雨量少的特點。太陽年平均輻射總量153.44卡/平方厘米，僅次于西藏、青海；全年日照時數3263小時，平均氣溫6.1℃，積溫3362.5℃；無霜期117-136天，相對較短，可避免農作物貪青戀長、推遲成熟而減產的弊端，可使農作物長勢集中，豐產豐收。年均降雨量170毫米，大多集中在夏秋兩季，雨熱同季，對農作物生長十分有利。
全縣共轄七鎮，771個社，全縣總人口30萬，其中農業人口22萬。據2000年第五次人口普查：全縣總人口274188人，其中漢族人口占96.46%，蒙古族人口占2.04%，其他民族人口占1.50%；全縣平均每平方公里110人。城鎮人口30.51%、農村人口占69.49%;年齡及文化結構基本穩定，15周歲以下兒童占22.60%，65周歲以上老人占5.43%，中青年人口占71.97%；每十萬人受教育人口：中專及以上文化1668人、高中和中專文化10015人、初中文化35263人、小學文化32236人。
黃河由五、臨交界處老楞河頭入境，為東經107°37′，至五原前旗交界處的四科河頭出境，為東經108°11′。此段河道是黃河干流在地球表面緯度最高的河段。五原境內的黃河流經天吉泰鎮、套海鎮。其北與之并行的是總干渠（二黃河），它由磴口、臨河向東進入五原，又進入前旗而匯入三湖河，在五原境內長43.5公里。縣內各干渠均由此渠引水灌溉。與黃河有關的是烏加河（舊時亦稱五角河、五加河），它原是黃河的主流，是北河。 1840年黃河改道后主流成為現在的南河，在改道的過程中使整個河套平原成為土質肥沃的沖積平原。烏加河現在是黃河的支流，由臨河市的份子地進入五原，由建豐農場出界，泄入烏拉特前旗的三湖河，在五原地段為 46公里長。
新中國成立后，經多次修浚成為灌區的總排水干溝。在五原境內除了二黃河之外與黃河有關的還有一些人工河，它們是： (一)豐濟渠，又名天吉泰渠。它位于縣境西部，以渠與臨河分界。它又名中和渠，光緒三十一年更名豐濟渠。初由黃河引水， 1965年改由總干渠引水，全長41.7公里，正常流量48立方米/秒。 (二)皂火渠，在縣境西部。其進水閘在總干渠毛家橋。 1966年又于塔爾湖境內接挖新皂火渠，總共全長68.98公里。正常流量28立方米/秒。 (三)沙河渠，原名永和渠，位于縣境中部，光緒三十年（1904年）更名沙河渠。初由黃河引水，1969年改由總干渠引水。全長75.02公里，正常流量為25立方米/ 秒。 ( 四) 義和渠，原名同和渠，光緒三十年（1904 年）更名義和渠，位于縣境中部。1966年開始改由總干渠引水，向東北匯入總排干，全長86公里。正常流量 30立方米 /秒。 (五) 通濟渠，初名老郭渠，后又稱四大股渠，位于縣境東部，其下游又稱五大股渠。民國 4年更名通濟渠， 1966年改由總干渠引水，而后匯入烏加河，全長40.58公里，正常流量 37.4立方米 /秒。此外，縣境還有總排水干溝（烏加河）、六、七、八和皂沙、義通排水干溝，均為建國后人工開挖而成，總長度是 172.46公里。
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