海勃灣區位于內蒙古自治區西部、烏海市東北部。地理坐標東經106°46′至107°05′，北緯39°31′至39°52′之間。東倚卓子山（烏仁都喜烏拉）與鄂爾多斯市鄂托克旗為鄰；西隔黃河與烏達區相望；南至四眼井與海南區相連；北與鄂托克旗堿柜鄉交界。全區總面積529平方千米。總人口22萬人（2010年）。有蒙、漢、回、滿等20個民族。轄6個街道、1個鎮：鳳凰嶺街道、海北街道、新華街道、新華西街道、卡布其街道、濱河街道、千里山鎮。區政府駐鳳凰嶺街道。
海勃灣區地處鄂爾多斯高原西北部，烏蘭布和沙漠南緣的中山丘陵、河谷及部分平緩起伏區內。整個地勢是東南高，西北低。東南部以丘陵山地為主，西北部較為開闊平坦，平均海拔1100米。屬典型的極端大陸性氣候，長年干旱、少雨、多風沙。年平均氣溫為9.2℃，年均降水量162.4毫米，年蒸發量為3500毫米左右，平均日照為3047.3小時。礦藏有煤、石灰石、鉛、鋅、鐵、石英、石墨、耐火粘土等。包蘭鐵路、110國道過境。古跡有青銅器時代召燒溝巖畫。