黑河流域地势南高北低、地形复杂，按海拔和自然地理特点分为上游祁连山地、中游走廊平原和下游阿拉善高平原等三个地貌类型区。

祁连山地位于青藏高原的北缘，主要山脉有疏勒南山、托勒山和走廊南山等，山峰海拔均在4000m，其地貌的基本格局主要受祁连褶皱系构造走向控制。南部的托勒山，其峰脊海拔为4905m，是黑河与黄河二级支流大通河的分水岭；北部为走廊南山，最高山峰（扎克山）海拔4826m。地貌类型主要有融冻蚀高山，侵蚀构造中山、丘陵，堆积侵蚀阶地和河谷冲洪积平原等。

走廊平原位于河西走廊中段，海拔1200～2000m，在祁连山与走廊北山之间呈双向不对称倾斜平原，两倾斜平原的交汇地带为细土平原，山麓分布连续的裙状洪积扇。走廊平原按地质构造自东向西分为大马营盆地、新河盆地和张掖盆地。走廊北山山地位于走廊以北，为河西走廊北侧的龙首山、合黎山和马鬃山的通称，系长期剥蚀的中山、低山和残丘，呈东西走向、断续分布，海拔为1500～2000m，龙首山主峰达3616m。山前冲积扇和走廊平原分布灌溉绿洲。

阿拉善高平原属内蒙古高原西部，由一系列剥蚀的中低山和盆地组成，海拔为980～1200m。黑河干流下游是巨大的弱水洪积冲积扇，分布有古日乃湖、古居延泽、东居延海、西居延海等一系列湖盆洼地和广阔的沙漠、戈壁。(www.daowen.com)

流域内土壤类型分为高山荒漠土壤系列、高山草甸土壤系列、山地草甸草原土壤系列、山地草原土壤系列和山地森林土壤系列；主要土类有寒漠土、高山草甸土、高山灌丛草甸土、高山草原土、亚高山草甸土、亚高山草原土、灰褐土、山地黑钙土、山地钙土等。

祁连山地植被属山地森林草原，生长高山灌丛和乔木林，呈片状分布，垂直带谱极为分明，海拔4000～4500m为高山垫状植被带，3800～4000m为高山草甸植被带，3200～3800m为高山灌丛草甸带，2800～3200m为山地森林草原带，2300～2800m为山地干草原带，2000～2300m为草原化荒漠带。植被的分布对调蓄径流、涵养水源起着重要的作用。