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山西因其位于太行山之西而得名。山西东有巍峨的太行山，中部有吕梁山，西部和南部为滔滔黄河，北面是蜿蜒起伏的长城。在这个山环水绕的区域内，是连绵起伏的山地、丘陵、台地和平原。因此，山西被柳宗元称为“表里山河”。
山西地处黄河的中游，黄土高原的东部，整体轮廓为从东北向西南倾斜的平行四边形，地理位置在北纬34°34′48″～40°43′30″和东经110°14′42″～114°33′17″。山西南北距离约682千米，东西距离约385千米，总面积约16万平方千米，约占全总面积的1.63%。
山西是一个山环水绕的省份，与相邻省区有着天然的分界线：与河北以连绵起伏的太行山为天然分界线，与陕西、河南以黄河为自然分界线，北部与内蒙古相邻。山西最南端为芮城县南张村南，最北端为天镇县远北村北，最东段为广灵县南坑村东，最西端为永济市长王村西。全省大部分地区海拔在1500米以上，其中海拔最高处为五台山北台叶斗峰，海拔为3061.1米，有“华北屋脊”之称；最低处为垣曲县境内西阳河流入黄河处，海拔180米。
山西境内有两条大致呈南北走向的大山脉： 东部为太行山脉，中部为吕梁山系，省内最大的河流汾河于两山脉之间从北向南流淌。
太行山，又名大行山、五行山，是我国东部一条重要的地理分界线，还是黄土高原与华北平原的天然分界线。太行山跨北京、河北、山西、河南4省，北起北京西山，南至山西与河南交界的王屋山，呈西北—东南走向，长达400多千米。太行山北高南低，大部分海拔在1200米以上。太行山东西自然景观差异极大，东部是阔叶阔叶林带，西部为森林草原地带和草原地带。太行山处处雄峰险峡，最典型的景观莫过于山西壶关县那一处太行大峡谷。
吕梁山纵贯山西中部，绵延400多千米，走向与太行山大致平行，高度由北向南逐渐递减，包括管涔山、芦芽山、云中山、关帝山、紫荆山、龙门山，其主峰在关帝山，海拔为2830米。吕梁山是我国黄土高原上的一条重要山脉，它还是黄河干流和黄河支流汾河的分水岭。吕梁山西部为连绵不断的黄土高原，水土流失严重，是黄河中游重要的泥沙来源区之一；东部为断层构造，山势陡峻，俯瞰着汾河地堑中的忻定盆地、太原盆地和临汾盆地。
山西是一个被黄土覆盖着的省份，黄土厚度为100～150米。在这个平行四边形的区域内，地势高低起伏，地貌类型复杂多样，主要包括山地、台地、丘陵、高原、盆地和河谷等。其中，山地和丘陵面积占全省总面积的2/3以上，大部分山区和丘陵区的海拔都为 1000～2000米。
从整体上看，山西的地形大致分为三个区域：东部山地区、中部盆地区和西部高原山区。
东部山地主要有恒山、太白山、五台山、太行山、太岳山和中条山等。其中，在五台山区，海拔超过2500米的山峰就有十多座，所以这里也被称为“华北脊梁”。
中部盆地分布着一系列的断陷盆地，由北至南主要为大同盆地、忻定盆地、太原盆地、临汾盆地和运城盆地。几大盆地海拔由北向南逐渐降低，大同盆地海拔为1000～1100米，忻定盆地为800～900米，太原盆地为700～800米，临汾盆地为450～600米，运城盆地为320～400米。此外，在山西东南部还分布着一个盆地，名为长治盆地，旧称上党盆地。
三大地形区域组成了山西的整体地貌类型，使得山西呈现出“凹”字形的地貌轮廓。
山西位于亚欧大陆东部内陆，处于中纬度地带，距离海洋只有300～500千米，但由于太行山脉的阻挡，受海洋气候影响不大，属于温带大陆性季风气候。春季气候多变，风沙较多；夏季南长北短，雨水集中；秋季短暂，天气温和；冬季漫长，寒冷干燥。
据统计，全省年平均气温在3～14℃，1月平均气温在－16～2℃，7月平均气温在19～28℃。除了少数山区外，大部分地区年降水量在350～700毫米，降水量从西北向东南部递减。全省日照充足，热量资源较丰富，但灾害性天气较多，“十年九旱”。
山西境内的河流分为黄河和海河两大水系，共有河流1000多条。据统计，黄河流域面积约占全省总面积的62%，海河流域面积约占38%。山西境内西部和南部的汾河、沁河和涑水河等河流属于黄河水系。其中，汾河为山西境内的第一大河流和黄河第二大支流，被誉为“山西的母亲河”。山西东部河北的桑干河、滹沱河、清漳河和浊漳河等属于海河水系。
据统计，山西境内流域面积大于100平方千米的河流有240多条，流域面积大于4000平方千米的河流主要有汾河、沁河、桑干河和滹沱河等。黄河从山西西北部的老牛湾入晋，从山西东南部流出山西，沿山西境界流程长达965千米；汾河发源于管涔山麓至河津汇入黄河，是山西境内第一长河，全长659千米。
山西蕴藏着丰富的矿产资源，已发现的矿种达120余种。其中，查明资源储量的有70种，保有资源储量居全国前10位的有36种。具有资源优势并在我国经济发展中占有重要地位的矿产有煤层气、铝土矿、铁矿、铜矿、金红石、冶金用白云岩、耐火黏土、水泥用灰岩、熔剂用灰岩、芒硝、石膏、硫铁矿等13种，其中煤层气、铝土矿、耐火黏土、珍珠岩、镓、铂、沸石等矿产资源居全国首位，煤、镁盐、芒硝等居全国第2位，铁矿居第4位，铜矿居第6位。此外，锰、银、金、石墨、膨润土、高岭岩、石英岩（优质硅石）、含钾岩石、花岗岩等矿产也有着良好的开发前景。
据统计，山西煤炭保有资源储量2767.85亿吨，占全国保有资源储量的20.1%，全省煤炭资源从北至南主要有大同、宁武、西山、沁水、霍西、河东六大煤田及浑源、五台等煤产地，含煤面积6.2万平方千米；煤层气保有资源储量1825.16亿立方米，占全国保有资源储量的88.2%；铝土矿分布面积达6.7万平方千米，保有资源储量14.16亿吨，占全国保有资源储量的36.5%。
目前，山西的森林覆盖率为13.87%，主要有关帝山、五台山、中条山、太行山、管涔山、太岳山、吕梁山和黑茶山八大森林区。山西植被从南到北可分为：南部和东南部是以落叶阔叶林和次生落叶灌丛为主的夏绿阔叶林或针叶阔叶混交林分布区，也是植被类型最多、种类最丰富的地区；中部是以针叶林及中生的落叶灌丛为主、夏绿阔叶林为次分布区，是森林分布面积较大的地区；北部和西北部是温带灌草丛和半干旱草原分布区，森林植被较少，优势植物是长芒草、旱生蒿类和柠条、沙棘等。
山西共有植物160多科3000余种，其中野生药用植物1000余种，常见药用植物30余种，野生油料植物70余种，野生芳香类植物40余种，野生牧草类植物890余种。此外，国家一级保护植物有南方红豆杉，国家二级保护植物有连香树、翅果油树、水曲柳、核桃楸、紫椴等。
山西野生动物以陆栖类为主，已知的有439种（含历史记录种）。据统计，属于国家重点保护的珍稀动物有71种。其中，一级保护动物有褐马鸡、金雕、朱鹮、白鹳、黑鹳、玉带海雕、白尾海雕、虎头海雕、丹顶鹤、大鸨、胡兀鹫、遗鸥、虎、金钱豹、梅花鹿、原麝、林麝17种，其中褐马鸡是山西的“省鸟”。二级保护动物有54种，包括鸟类42种，两栖类1种，兽类11种；属于省级重点保护的有苍鹭、星头啄木鸟等27种。此外，还有许多有重要经济、科学研究价值的野生动物315种。
