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大兴安岭—阴山山地一线，是锡林郭勒高原的东部界限所在，更是重要的气候分界线，东北—西南走向的大兴安岭，中部东西横亘的阴山山地，从东北向西南长达2600公里，都是海拔1000米以上的中等山地，这些山地连贯起来斜贯区内中间，构成一条弧形的地貌脊梁的同时，阻挡了锡林郭勒的季风环流，致使其西北部不能受到湿润季风的影响，形成农牧业过渡地带和内外流域的分界线，成为我国北方的一条重要的自然界线。另外，由于山地阻截了夏季东南季风输入的较多水汽，加之锡林郭勒地形辽阔、平坦，又使其气候、水文、土壤和植被地带等地理要素，均呈现出东北—西南经度地带性变化的特点。热量从东北向西南递增，降水由东向西递减，干旱程度增加。土壤上，从大兴安岭西麓的草甸草原黑钙土地带，向西依次是典型草原粟钙土地带、荒漠草原棕钙土地带、草原化荒漠漠钙土地带，锡林郭勒的最西部跨进灰棕漠土荒漠带。
锡林郭勒属典型的中温带大陆性气候，冬季漫长，夏季短促，春秋两季不显著，气候特点主要是冬季干旱、寒冷、风大，夏季凉爽，比较湿润。年平均气温0℃—3℃，结冰期长达五个月，寒冷期长达七个月。1月气温最低，平均-20.4℃，极端低温为-42.4℃；7月气温最高，平均21℃，极端高温为39.9℃。气温日较差平均为12℃—16℃，年较差为35℃—42℃。年降水量差异较大，东南部最大降水量628毫米（太仆寺旗），西北部降水量83毫米（二连浩特市），平均降水量为295毫米。降雨多集中在7、8、9三个月内，降雪多集中在每年的11月至翌年3月。年平均相对湿度在60%以下，蒸发量在1500—2700毫米之间，由东向西递减。年日照时数为2800—3200小时，日照率64%—73%，无霜期110—130天。
锡林郭勒高原的主要河流有20余条，大小湖泊1363个，其中淡水湖672个，分为三大水系——发源于阴山山地的闪电河等滦河水系，中部的锡林河等呼尔查干诺尔水系，东北部的乌拉盖水系。乌拉盖河为境内最大的内流河。额吉淖尔湖、巴彦淖尔湖等盛产盐、碱等物产 [1] 。