沁阳市位于东经112′46′～113°02′、北纬34°59′～35°18′之间，总面积623.5平方千米。在河南西北部，北依太行，南眺黄河。东与博爱县毗邻，西同济源市接壤，南与温县、孟州市相连，北与晋城交界。沁阳市东南距省会郑州市128千米，南距东都洛阳市90千米，东距焦作市36千米。
沁阳市境内平原居多，大约有总面积的66%，其余都是山地丘陵。北靠太行山，南邻黄河，地势西北高，东南低，从北向南依次是山地，丘陵，平原三种地形，著名的山峰有紫金山，云台山、云阳山、阳山等11座，均属太行山脉尾部，其中紫金山、云台山海拔1100米以上。
沁阳市属暖温带大陆性气候，四季分明，春季干旱多风，夏季炎热多雨，秋季昼暖夜凉，冬季寒冷干燥。年平均气温14.3°C。最高气温42.1°C，最低气温﹣18.6°C。季温变化明显，春季平均气温14.7°C，夏季平均气温26.4°C，秋季平均气温14.6°C，冬季平均气温1.3°C。
年平均降水量576.5毫米，其中冬季降水量最少，平均降水28.1毫米，占全年的4.9%；春季降水量稍多，平均降水100.0毫米，占全年的17.3%，秋季降水量较多，平均降水147.3毫米，占全年的25.6%；夏季降水量最多，平均降水301.1毫米，占全年的52.2%；年最大降水量1101.1毫米，最小降水量262.9毫米，降水多集中在七、八、九三个月，降水强度大，往往造成洪涝灾害。平均年无霜期210天。
沁阳境内河流属黄河水系，主要有沁河、丹河等，以沁河最大，其它尚有仙神河、云阳河、逍遥河等季节性河流。人工渠有广济渠、永利渠、广惠渠、丹西干渠、友爱河、丰收渠等。水库有逍遥水库、八一水库、山王庄水库、九渡水库等四座，水库面积369.7亩。