Đồng Hỷ là huyện miền núi của tỉnh Thái Nguyên. Địa phận huyện Đồng Hỷ trải dài từ 21032’ đến 21051’độ vĩ bắc, 105046’ đến 106004’ độ kinh đông. Phía bắc giáp huyện Võ Nhai và tỉnh Bắc Cạn, phía nam giáp huyện Phú Bình và thành phố Thái Nguyên, phía đông giáp tỉnh Bắc Giang, phía tây giáp huyện Phú Lương và thành phố Thái Nguyên. Địa giới tự nhiên phân cách Đồng Hỷ và thành phố Thái Nguyên là dòng sông Cầu uốn lợn quanh co từ xã Cao Ngạn theo hướng bắc - nam xuống đến đập Thác Huống (xã Huống Thượng). Huyện Đồng Hỷ có vị trí thuận lợi nằm sát với thành phố Thái Nguyên, trung tâm chính trị, kinh tế, văn hóa của tỉnh Thái Nguyên.
Đồng Hỷ có tổng diện tích tự nhiên 427,73 km2. Trong đó đất lâm nghiệp chiếm 50,8%, đất nông nghiệp 16,4%, đất thổ cư 3,96%, đất cho các công trình công cộng 3,2% và đất chưa sử dụng chiếm 25,7%.
Đồng Hỷ có địa hình phức tạp, chia thành hai vùng rõ rệt: Phía Bắc, Đông Bắc (xã Văn Lăng, Tân Long, Văn Hán, Cây Thị,…) là vùng núi thấp, độ cao trung bình 500 - 600m; phía nam và tây nam (xã Hóa Thượng, Nam Hòa, Tân Lợi,…) là vùng trung du có địa hình thấp, độ cao trung bình dưới 100 m.
Khí hậu được hình thành từ một nền nhiệt cao của đới chí tuyến và sự thay thế của các hoàn lưu lớn theo mùa, kết hợp với địa hình đã tạo nên khí hậu nóng ẩm, mưa mùa, có mùa đông lạnh và thất thường trong năm.
Nhiệt độ trung bình hàng năm 220C. Vào mùa hè, tiết trời nóng bức, nhiệt độ trung bình từ 25-270C, mùa đông chịu ảnh hưởng của hơn 20 đợt gió mùa đông bắc, mỗi đợt kéo dài 2-5 ngày, tiết trời giá lạnh, ít mưa, nhiệt độ dao động từ 12-150C, có năm thấp xuống dưới 100C, xuất hiện sương muối. Ba tháng nhiệt độ lạnh nhất trong năm là tháng 12, 1 và tháng 2 có nhiệt độ trung bình dưới 170C.
Lượng mưa trung bình năm từ 1.500 mm đến 2.200 mm; chế độ mưa chủ yếu phụ thuộc vào hoàn lưu mùa. Mùa mưa trùng với mùa nóng kéo dài từ tháng 6 đến tháng 10 chiếm 85-90% lượng mưa trong năm. Mùa ít mưa trùng với mùa lạnh, từ tháng 11 đến tháng 3 với lượng mưa từ 200-400 mm, bằng 10- 15% lượng mưa cả năm.
Thủy văn: Trên địa bàn huyện có hai con sông lớn. Sông Cầu là dòng chảy chính của sông Thái Bình, bắt nguồn từ phía Nam đỉnh Phia Boóc của dãy Văn Ôn trong địa phận xã Phương Viên (Chợ Đồn, Bắc Kạn) ở độ cao trên 1200m, qua vùng Bạch Thông, Phú Lương, Võ Nhai. Đến địa phận huyện Đồng Hỷ, sông chảy qua các xã Văn Lăng, Hòa Bình, Minh Lập, Hóa Thượng, qua thành phố Thái Nguyên, huyện Phú Bình, thị xã Phổ Yên sang Bắc Ninh. Sông Cầu có lưu lượng nước lớn, trung bình khoảng 135m3/năm, chế độ nước phù hợp với chế độ mưa. Mùa mưa đồng thời là mùa lũ kéo dài từ tháng 5 đến tháng 10. Mùa kiệt phù hợp với mùa khô, từ tháng 11 đến tháng 4. Sông Linh Nham là sông nhỏ, chảy từ Khe Mo, Hóa Trung, hợp lưu với sông Cầu ở thành phố Thái Nguyên.