永登縣在甘肅省中部，東鄰甘肅省皋蘭縣和景泰縣，西靠青海省民和回族土族自治縣和甘肅省天祝藏族自治縣，南接蘭州市的紅古區和西固區，北連天祝藏族自治縣。從南到北最長距離107公里，從西到到東最寬距離101公里。東起秦王川石門溝村，西至連城鎮東河沿村，寬約90公里；南起苦水鄉周家莊村，北至金嘴鄉富強堡村和坪城鄉三岔村，長92.5公里。現屬蘭州市所轄�？偯娣e6090平方公里，占全省總面積的1.35%，占全市總面積的46.8%。永登縣人民政府駐城關鎮。
永登縣地形特征可概括為“兩河夾三山”形成黃土丘陵區和秦王川盆地。地貌上表現為石質山地與黃土丘陵交錯分布。地勢位于青藏高原東北部與黃土高原西部過渡地帶，也是祁連山支脈東延與隴西沉降盆地間交錯的過渡地區。境內山巒重疊，丘陵起伏，河水縱貫。高聳入云的烏鞘嶺矗立縣北，黃河在縣南蜿蜒流過，整地形由西北向東南傾斜，海拔在3000～1600米之間。最高點在縣境西北與天祝藏族自治縣交界的天馬嶺，海拔為3650米；最低點在縣西南與蘭州市西固區交界的莊浪河河谷，海拔為1590米。
莊浪河谷地在永登縣境內可分為富強堡峽谷段、永登寬河谷段、野狐城――苦水段和周家莊――河口峽谷段。莊浪河谷地發育四級階地，其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級階地保存完整，N級階地多有破壞，以N級階地后緣做為河谷邊界，莊浪河谷的寬度在中堡鎮清水河至紅城鎮野狐城之間，一般在3000～4000米之間。
大通河谷地多峽谷，僅在連城以下形成河谷盆地――八寶川。八寶川西南部與東北部為祁連山延續的褶皺帶；中部和東南部為黃土丘陵，東西兩邊為淺山平地和丘陵地。河谷川地東南與西北兩頭狹小，中部較為開闊平坦，海拔1800米左右，呈西北東南走向。
西部、北部石質山地均為祁連山山脈間東南延續之余脈，可分為三大主干余脈，即“三山”。（一）西部石質山地。指大通河兩岸的石質山地，主要山峰有雞尾山、吐魯坪、張家峨博等，海拔在2800米以上。（二）北部石質山地。位于永登縣境北部與天祝藏族自治縣、景泰縣的邊界一帶。主要山峰有煙筒溝腦、大肚坪、簸箕掌等，最高海拔3024.5米（煙筒溝腦）。（三）西北部石質山地。馬牙雪山南支經天馬嶺、喜鵲嶺后延伸入縣境，形成獎俊埠嶺后被大沙溝截斷，最高海拔3650米（天馬嶺）。
黃土丘陵溝壑區是全縣主要地貌類型，占總面積的67%。包括通遠南部，七山全部，大同北部，清水和上川西北部，在苦水、樹屏的交接地帶及紅城、龍泉寺、大同東部和清水南部一帶，海拔大都在2000～2500米之間，相對高出莊浪河、大通河500～700米。這里地處莊浪河和大通河河間地帶，現代侵蝕十分活躍，因此溝壑密布，沖溝深切，地形破碎，水土流失嚴重。黃土丘陵區可分為大通河西岸黃土山梁區，大通河、莊浪河之間的黃土山梁區和莊浪河與秦王川之間的黃土梁峁丘陵區。
秦王川盆地，面積約470平方公里，南北長40公里，東西最寬處16公里。在地形上屬烏鞘嶺南坡的斷陷低地，地勢北高南低，海拔1850～2300米，屬永登縣上川、秦川、中川三鎮，其東北部邊緣一小部分屬皋蘭縣西岔鄉。盆地內主要為洪積平原所占據，其間有壟崗狀殘臺和個別殘丘分布，平原由北向南傾斜，地面坡度10～15%。橫向上地形平坦，切割甚微，盆地的古老基底為南山系變質巖，其上為第三系紅色粘土巖，青灰色砂礫巖，米黃色粘土巖，洪積沖積的黃土形物質等。東西南除局部露出第三系紅層外，多為第四系黃土覆蓋。秦王川盆地自1994年引大入秦全線通水后已成為永登縣的“米糧川”，是甘肅省的商品糧基地之一。
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