徐州市位于華北平原的東南部，域內除中部和東部存在少數丘崗外，大部皆為平原。丘陵海撥一般在100－200米左右，丘陵山地面積約占全市9.4%。丘陵山地分兩大群，一群分布于市域中部，山體高低不一，其中賈汪區中部的大洞山為全市最高峰，海拔361米；另一群分布于市域東部，最高點為新沂市北部的馬陵山，海拔122.9米。平原總地勢由西北向東南降低，平均坡度1/7000--1/8000，平原約占土地總面積的90%，海撥一般在30－50米之間。
徐州市地處古淮河的支流沂、沭、泗諸水的下游，以黃河故道為分水嶺，形成北部的沂、沭、泗水系和南部的濉、安河水系。境內河流縱橫交錯，湖沼、水庫星羅棋布，廢黃河斜穿東西，京杭大運河橫貫南北，東有沂、沭諸水及駱馬湖，西有夏興、大沙河及微山湖。
擁有大型水庫兩座，中型水庫5座，小型水庫84座，總庫容3.31億立方米，以及眾多的橋、函、渠、閘等水利設施，初步形成具有防洪、灌溉、航運、水產等多功能的河、湖、渠、庫相連的水網系統。
徐州市屬暖溫帶季風氣候區，由于東西狹長，受海洋影響程度有差異，東部屬暖溫帶濕潤季風氣候，西部為暖溫帶半濕潤氣候，受東南季風影響較大。年日照時數為2284至2495小時，日照率52％至57％，年氣溫14℃，年均無霜期200至220天，年均降水量800至930毫米，雨季降水量占全年的56％。氣候資源較為優越，有利于農作物生長。主要氣象災害有旱、澇、風、霜、凍、冰雹等。氣候特點是：四季分明，光照充足，雨量適中，雨熱同期。四季之中春、秋季短，冬、夏季長，春季天氣多變，夏季高溫多雨，秋季天高氣爽，冬季寒潮頻襲。
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