徐州市地形以平原为主，平原面积约占全市面积的90%，平原总地势由西北向东南降低，平均坡度1/7000-1/8000，海拔一般在30－50米之间。徐州市中部和东部存在少数丘陵山地。丘陵海拔一般在100－200米左右，丘陵山地面积约占全市9.4%。徐州市丘陵山地分两大群，一群分布于市域中部，山体高低不一，其中贾汪区中部的大洞山为全市最高峰，海拔361米；另一群分布于市域东部，最高点为新沂市北部的马陵山，海拔122.9米。
徐州市大地构造上属于华北断块区的南部，地质条件及地质构造不太复杂，地震活动的频率和强度均较低。
从地壳结构来看，徐州市地壳厚度变化较小。莫氏面平均深36千米左右，康氏面平均深20千米，一般是西部较深。再看构造运动。徐州市属于苏北平原的大面积沉降区。地貌上表现为地势低平，在断陷盆地内的沉积物厚度较大，表现出共震荡运动的特征。在断裂构造上，徐州地区断裂较为发育，按其规模大小和地质发展历史上所起的作用，最主要的是北、东向的断裂分布较广。徐州市主要断裂带有：郯城-庐江断裂带，丰县-邳州断裂带，故黄河断裂带。
徐州市属温带季风气候，四季分明，夏无酷暑，冬无严寒。年气温14℃，年日照时数为2284至2495小时，日照率52%至57%，年均无霜期200至220天，年均降水量800至930毫米，雨季降水量占全年的56%。气候特点是：四季分明，光照充足，雨量适中，雨热同期。四季之中春、秋季短，冬、夏季长，春季天气多变，夏季高温多雨，秋季天高气爽，冬季寒潮频袭。
徐州市地处古淮河的支流沂、沭、泗诸水的下游，以黄河故道为分水岭，形成北部的沂、沭、泗水系和南部的濉、安河水系。境内河流纵横交错，湖沼、水库星罗棋布，废黄河斜穿东西，京杭大运河横贯南北，东有沂、沭诸水及骆马湖，西有夏兴、大沙河及微山湖。
2017年徐州市成为江苏首个国家水生态文明城市，全市形成了“九河绕城、七湖润彭”的水系新格局。
徐州市拥有大型水库两座，中型水库5座，小型水库84座，总库容3.31亿
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