山陰縣位于山西省北部，東徑112°15′-113°04′，北緯39°11′-39°46′。東鄰應縣，南毗代縣，西交朔城區、平魯區，北與左云縣、右玉縣、懷仁縣接壤。全縣南北長66.7千米，東西寬36.5千米，總面積1652平方千米，總人口23萬人（2008年）。轄4個鎮、9個鄉：岱岳鎮、玉井鎮、北周莊鎮、古城鎮、吳馬營鄉、馬營鄉、下喇叭鄉、合盛堡鄉、安榮鄉、薛圐圙鄉、后所鄉、張家莊鄉、馬營莊鄉，以及東城管委會、西城管委會、山陰農牧場。縣政府駐岱岳鎮。
全縣山地684平方千米，丘陵111平方千米，平原856平方千米。地形西北向東南傾斜，最高點洪濤山主峰大貝山海拔1947.5米；最低處合盛堡鄉北郭村海拔1003米。主要山脈有恒山山脈，洪濤山脈以及黃花嶺。主要河流為桑干河、木瓜河、黃水河、元子河（吳馬營大河槽河）。屬半干旱大陸性季風氣候，歷年平均日照時數達2830.4小時，歷年平均氣溫6.9℃，年均降水量384.7毫米，無霜期147天。