海南区位于乌海市区南部。东、南两边与内蒙古自治区鄂尔多斯市的鄂托克旗毗邻；西南与宁夏回族自治区陶乐县接壤；西依黄河与宁夏回族自治区石嘴山市、内蒙古自治区乌海市乌达区、阿拉善盟阿拉善左旗隔河相望；北与乌海市海勃湾区相连。南北长约50公里，东西宽约20公里，总面积约1005平方公里，占乌海市总面积的57.29%。地理座标为北纬39°15′～39°32′，东经106°40′～107°09′。平均海拔高度1200米。 海南区人民政府所在地拉僧仲，与乌海市人民政府所在地海勃湾区相距28公里。距内蒙古自治区首府呼和浩特市550公里，距鄂尔多斯市人民政府驻地东胜区330公里。与宁夏回族自治区首府银川市相距128公里。
海南地区的间歇性地表迳流，除了小部分渗人地下，补给地下水以外，大部分顺沟谷流走。黄河是唯一的地表水资源。
第四系冲积洪积层潜水。共有4个含水层，厚度大，分布广，含水量颇丰。尤以上更新统冲积洪积层含水和中下更新统冲积洪积层潜水和承压水为好，是海南地区最主要的供水水源。 海南地区属温带荒漠、半荒漠动物类群，动物种类组成比较简单。兽类20余种，主要有狐狸、刺猬、兔子。曾有黄羊、青羊、盘羊和野驴，已绝迹；鸟类40余种，主要有云雀、麻雀、喜鹊、石鸡、鹰、雕和猫头鹰等； 无脊椎动物40余种，主要有青蛙、壁虎、蜥蜴、蛇和蜗牛等；鱼类30余种，主要有鲤鱼、鲫鱼、草鱼、青鱼和泥锹等。
海南地区植物资源丰富，野生植物有69科，181属，279种。其中木本植物66种，包括乔木6种，灌木37种，半灌木22种，木质藤木1种。草木植物201种，其中菊科植物有20属45种，藜科植物有13属32种；豆科植物有12属23种；禾本科植物有13属16种；十字花科植物有8属10种；毛莨科植物有5属9种；蒺藜科植物有5属8种；蔷薇科植物有5属8种；蓼科植物有4属7种；百禾科植物有4属7种；紫草科植物有5属9种；唇形科植物有4属4种；树柳科植物有2属4种。另外还有孢子植物11种。
