大兴安岭地区地理位置独特，坐落在东经121°12′至127°00′，北纬50°10′至53°33′之间，横跨6个经度，纵越3个纬度，位于中国最北部边境。它处在黑龙江省西北部与内蒙古自治区东北部的交界处，东北坡依傍大兴安岭山脉，处于根河与嫩江两大地震断裂带的交汇地带。
该地区的地形地貌复杂多样，主要为多年冻土带，其中盘古河以西及河源南向东直线以西区域为连续冻土带，其他区域则是岛状冻土。整体地形呈东北-西南走向，以浅山丘陵为主，北部、西部和中部地势较高，平均海拔573米，最高峰伊勒呼里山主峰大白山，海拔1528米，而最低点呼玛县三卡乡沿江村海拔仅180米。伊勒呼里山是黑龙江和嫩江两大水系的分水岭，山脉由宽缓的复背斜构成，地形起伏显著。
气候方面，大兴安岭地区属于大陆寒温带季风性针叶林气候，全年湿润，夏季多雨，冬季寒冷。年平均气温漠河县和呼中区北部为零下4摄氏度，其他地区稍暖，为零下2摄氏度。无霜期平均80至110天，极端温差大，日照充足，太阳年辐射总量为4500百万耳，年日照时数2600小时，有效积温约2100摄氏度。降水量集中于夏季，冬季则受蒙古冷高压影响，多西北风，寒冷干燥。
水文方面，大兴安岭地区属于外流区域，主要河流有呼玛河、额木尔河、盘古河等，其中黑龙江是国际河流，嫩江则是省内地区间界河。河流众多，为湿润带与多水带，反映了丰富的水资源分布。
黑龙江大兴安岭林区，位于中国最北端，她东连绵延千里的小兴安岭，西依呼伦贝尔大草原，南达肥沃、富庶的松嫩平原，北与俄罗斯联邦隔江相望。大兴安岭地区是中国最大的天然林区，自1964年开发建设以来，累计为中国提供商品材1.26亿立方米。