地处东经118°51′30″--118°54′30″北纬43°26′00″--44°27′30″。海拔高度1650米,总土地面积265平方公里,位于巴林左旗西北边界。西、西北、北分别和巴林右旗、西乌珠穆泌旗交界。
全镇位于大兴安岭西南山麓的丘陵地带,植被类型为山地原始次生林和山间草甸草原,森林覆盖率为39.8%,草场面积占总土地面积的52%。镇域处于中国地理分界线二、三阶梯分界的界线上,一山之隔就可进入广阔无垠的内蒙古高原。
属温带大陆季风气候,年降雨量380-400毫米,无霜期90-100天,年最高气温36.8摄氏度,年最低气温-39.6摄氏度,最深冻层2.9米,冰冻期7个月,最大风速28米/秒。
全镇总人口10700人,其中从事畜牧业人口930口。主要民族有汉、蒙、回、满、达斡尔等五个民族。
全镇总面积2990平方公里,建成区面积约6.9平方公里,耕地面积3.6万亩,草场面积401万亩,下设8个社区居委会、10个嘎查、1个行政村,总人口3.5万人,其中城镇人口约2.53万人。百灵庙镇矿产、农畜产品资源富集,世界著名“稀土之乡”白云鄂博就在百灵庙镇境内,已经探明的金属、非金属矿物达32种之多,主要工矿产品有铁精粉、稀土分离产品、稀土金属产品、黄金、硅铁、铜粉、珍珠岩等。