雙城區地處松嫩平原南部，全境以沖擊平原和階地為主，地勢平坦，整體呈東高西低的趨勢。東部周家鎮至西部杏山鄉構成了雙城區的脊梁，而南、西及西北部則沿江河地勢由高向低垂，形成類似馬鞍的形狀。全境海拔高程在120至210米之間，相對高差約為100米。雙城區屬中溫帶大陸性季風氣候，四季分明，各具特色。春季風多且少雨干旱；夏季則高溫多雨；秋季涼爽且早霜；冬季嚴寒且少雪。年均氣溫為4.4℃，年均降水量為481毫米，有效積溫范圍在2700至2900℃之間。雙城區的自然資源豐富，水資源主要包括地表水和地下水。地表水資源一部分為境內地面徑流量，另一部分為過境的江河水。地下水資源較為豐富，可開采的地下水資源總量達1.83億立方米，年開采量為0.3億立方米，占可開采量的16.4%。此外，雙城區還擁有多種野生動物資源，如狼、狍、貍、山貓、狐貍、貂、貉子、鼬、水獺等。