区境地为第四纪全新世形成的冲积平原，地势低平，海拔0.5～8米。潮土类土壤，经世代开垦耕耘，荒地渐成良田。区内河流、沟渠众多，京杭大运河穿境而过。地下水资源较丰富。区内属暖温带半湿润季风型气候，四季分明，冬夏季长，春秋季短，年平均气温12.5℃。

区内地层为第四系松散沉积物所覆盖，地质构造以华夏及新华夏系构造为主。区境东部有活动断裂。区内地势坦荡低平，为典型平原地貌形态，多河流、沟渠、洼淀。植被随土壤亚种不同，略有差异，多数植物夏绿冬凋。植被以农业栽培为主。境内地貌属冲积平原，为华北平原一部分，系永定河水系泛区重要组成部分。地势坦荡低平，自西北向东南微微倾斜，西东间微有起伏，为典型平原地貌形态。最高海拔（黄海高程）8米，最低0.5米，平均坡度1/5000，地表径流及地下水总流向与地势一致。

区境四季分明，春季风多雨少，夏季高温多雨，秋季风清云淡，冬季干冷少雪。年均日照2478.8小时，年均沙尘天气8天。时有雾霾天气，偶有倒春寒、霜冻等灾害性天气发生。北辰区属暖温带半湿润季风气候。1979—2009年，年平均气温12.5℃，1月平均零下3.8℃，7月平均26.5℃；平均无霜期218天，年平均降水量529.3毫米。

北辰区土地资源、水资源及野生动植物资源较丰富。水资源含地表水和地下水。1979—2009年，地表年均蓄水2134万立方米。其中一级河道年均蓄水650万立方米，二级河道年均蓄水335万立方米，水库年均蓄水1149万立方米。地下水可开采资源为每年2348万立方米，但允许开采量为每年1970万立方米。区内有野生动物150多种；野生植物繁多，其中草类有80余种，水生浮游植物有6门46属。至2009年，区内共发现古树30株。