大约在二三百万年前，大同一带是一片浩瀚的湖水，考古工作者把这个湖叫“大同湖”，它是个封闭的内陆湖。那时候这里气候温暖、雨量充沛，参天乔木遍布湖畔。野马、披毛犀、大角鹿在这里追逐奔驰；多刺鱼、鲤鱼在湖中自由嬉戏。据考古工作者考证：随着地壳的升降运动和干湿交替，大同湖发生过无数次变化，最后于数万年前悄然消逝了。

　　北魏时期，郦道元在《水经注》中曾详细记载了魏都大同城的环境状况。在《云中郡志》中还记载着大同景物“滴翠流霞，川原欲媚。坡草茂盛，群羊点缀。……挹其芳澜，郁葱可冷。”这些都说明过去的大同地区曾经是草木丰盛、风景秀丽的好地方。 大同地区周围群山环列，有采凉山、马铺山、金山、半稔山、六棱山、七峰山、西岩寺山、武周山、雷公山、野狐岭、孤山、方山等，北连阴山、南接恒岳，海拔都在一千至两千米之间。若以画家“春山淡冶而如笑”的笔法，恐怕难以很好地再现这种重峦叠嶂的嵯峨雄伟。另外，在群山之中，有镇川、云冈、口泉三条峪沟婉蜒贯穿其间，成为连接市境的三条主要通道。

　　大同河流大大小小多达二十几条，象蒲扇般伸展于全境，并全部交汇于桑干河。主要河流有：御河、十里河、口泉河、甘河，及较小的淤泥河、西溪涧、玉母河、四河、镇川河、卷子河、开山口河等，由于它们均为季节性河流，所以冬夏河水流量悬殊，平时水不及膝，有时甚至干涸。

　　宋代诗人翁卷曾留下这样的诗句：“闲来上山看野水，忽于水底见青山。”（《野望》）但愿人们都能忙里偷闲，走出城郭，与迎寒关暑的大同山水交个朋友，以体味自然之趣。 大同地处温带大陆性季风气候区，受季风影响，四季鲜明，令人喜爱。

　　春季里气温回升很快，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%；人们常说“万紫千红总是春”，但大同万紫千红之时却在夏季。大同的夏天凉爽舒适，多温和的东南风，旅游者们多于夏季来此避暑胜地观光。

　　秋季来临后气温便逐渐下降，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%。这时碧空万里、天高气爽。微微的清寒，颇令人感到惬意。

　　冬季较春夏秋三季就显得漫长了，它长达四个多月，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℃。冬季会下几场雪，使整个城市银装素裹，平均降水量为8.06mm，占全年降水量的2.1%。此季虽然户外寒冷，1967年1月15日极端最低气温竟达-29.1℃，但本地人们工作、学习、娱乐场所及住宅，皆有暖气或火炉取暖，室内十分温暖，反而比南方宜人。 大同市在大地构造上处于华北地台的山西台背斜与阴山隆起的交接部位。北为北口隆地，西南为大同──静乐凹陷，东南为桑干河新断陷。本区域在多期的地壳构造变动中形成了一系列的构造形迹，尤其以燕山运动和喜马拉雅山运动的影响最为明显，新构造运动相当发育、地震活动也较为频繁。

　　在地貌构成上，大同的山地面积为278平方公里，占总面积的13.4%；丘陵面积为1177平方公里，占总面积的56.6%；平川面积为626平方公里，仅占总面积的30%。其中，山地、丘陵主要集中于西、北及东北部地区，而平川区位于东南部。这就构成了大同市西北高、东南低，地形由西北向东南倾斜的主要特征。