固原地處黃土高原暖溫半幹旱氣候區，是典型的大陸性氣候，形成冬季漫長寒冷、春季氣溫多變、夏季短暫涼爽、秋季降溫迅速，晝夜溫差大，春季和夏初雨量偏少，災害性天氣多，區域降水差異大等氣候特征。年平均日照時數2518.2小時，年平均氣溫6.1℃，年平均降水量492.2mm，年蒸發量1753.2mm，大於10℃的活動積溫2000-2700℃，無霜期152天，絕對無霜期83天。
固原主要氣象災害有幹旱、大風、沙塵、低溫凍害、高溫、局地冰雹、暴雨雷電等。春季大風、揚沙天氣頻繁發生，幹旱、低溫凍害等氣象災害等相繼發生，夏季局地冰雹等強對流天氣較多，秋季幹暖降水偏少，冬季幹暖現象十分明顯。 固原市在地層上處於華北地層和祁連地層區內，兩區以龍首～六盤深斷裂為界。華北地層區的次級單元為陜甘寧盆緣分區，彭陽縣和涇源縣、原州區的部分地區位於該分區的平涼小區內。其余大部分地區位於河西走廊～六盤山分區的六盤山小區和北祁連分區的靖遠～西吉小區內。平涼小區內地層分布特點是：下元古界、寒武系、奧陶系、石炭系至侏羅系均很發育，但因黃土大面積掩蓋，僅零星見於殘山或溝谷中；下白堊統廣泛分布，厚度較大；新生界較發育，遍布固原。六盤山小區地層發育極不完全，缺失古生界、三疊系、侏羅系、上白堊統和古新統。下元古界零星分布。早白堊世接受了巨厚的河湖相碎屑巖沈積，砂巖中具銅礦化。靖遠～西吉小區出露最老地層為下元古界，古生界只有中～下泥盆統；新生界分布最廣，缺失古新統。大部分地區為第四系黃土覆蓋，構成黃土丘陵。
由於地質構造的不同，加之經歷了畜牧業～農牧業～旱作農業的不同發展階段和自然條件的影響，形成土壤類型不壹，但主要土壤可劃為三類：（1）黑壚土，這是主要土壤類型占總面積的66.4%，分布於山地以外的廣大地區，即氣候上的半濕潤和半幹旱區。（2）山地土。分布占總面積的33.6%，包括山地草甸土、山地棕壤土和山地灰褐土三個層次。它們自上而下地分布在六盤山、月亮山等高山地區。