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赤城全县山峦耸峙，四周高山环绕，境内山脉以靠近坝上高原的坝头为起点，向东南逶迤蜿蜒，与横贯南部的大海陀山脉闭合，形成一个较为封闭的独立补给区域。地势由东南向西北逐渐增高，至北到长城一带坝头。马厂一带为最高地区，海拔1540米；东南部四道甸一带最低，海拔500米，相对高度差1040米。赤城县地貌类型以成因可分为剥蚀侵蚀构造地貌类、剥蚀侵蚀堆积地貌类；以形态可分为山区、丘陵区、盆地区。
赤城县属暖温带大陆性季风气候。冬季寒冷干燥，夏季凉爽短促，全年多风少雨，年平均气温5.7℃，一月平均气温-11.5℃，七月平均气温20.9℃，年平均降水量420毫米。无霜期约120天。
赤城县为海河流域潮白河水系的一部分。县境内主要有黑河、白河、红河三条河流，支流多为季节河。雨季河水暴涨，易成滥洪；干旱季节众小支流干涸无水。
赤城县地处北京的上风上水区。全县地表径流量为3.5亿立方米，可利用地表水资源年平均3700万立方米，黑河、白河、红河三条河流自西北向东南纵贯而下，其径流全部汇入密云水库，历史年度最高入库水量3.47亿立方米。2005年输入密云水库水量1.7亿立方米，占年入库水量的52%，是北京重要的饮用水源基地。水能蕴藏量达4万千瓦，可开发1万千瓦，建有小型水电站5座，装机容量3615千瓦，年发电量超过1000万千瓦。