沿线地貌主要有XX盆地南缘冲、洪积平原区，岌岭分水岭荒漠，龙首山与祁连山山前冲、洪积平原区，张掖盆地冲、湖积平原区，酒泉盆地南缘山前倾斜、洪积平原区五个地貌单元。线路所遇不良地质现象主要为新华庄至梧桐泉的风沙、张掖地区的湿地以及黑河沿岸的冲刷问题。特殊岩土有盐泽土、湿陷性黄土和膨胀土。
铁路所经地区地下水主要为第四系空隙潜水，张掖、酒泉盆地中央地下水位较浅，为0.5～5米，盆地边缘水位一般10～50米，补给来源为大气降水和高山融雪及河水补给。
本段线路地处温带干旱大陆性气候，夏季炎热，冬季严寒，气候干燥，温差较大。年平均气温为4.8～7.7℃，极端最高气温为32.5～40.8℃，极端最低气温为-26.7～33.3℃，年平均降水量为127～194mm，降雨多集中6～9月份，瞬时风速28～34m/s，最大冻结深度123～159cm。
全线地震烈度为七、八度。
