Le Shanxi est situé sur un plateau physiquement composé de terres plus élevées à l’est (monts Taihang) et à l’ouest (montagnes Lüliang) et d’une série de vallées au centre traversées par la rivière Fen. Le plus haut sommet est le mont Wutai (Wutai Shan) dans le nord-est du Shanxi avec une altitude de 3 058 m. La Grande Muraille de Chine forme la majeure partie de la frontière nord avec la Mongolie-Intérieure. Les monts Zhongtiao longent une partie de la frontière sud et séparent le Shanxi de la partie est-ouest du fleuve Jaune. Le mont Hua est au sud-ouest.
Le fleuve Jaune forme la frontière ouest du Shanxi avec le Shaanxi. Les rivières Fen et Qin, affluents du fleuve Jaune, traversent la province du nord au sud et drainent une grande partie de sa superficie. Le nord de la province est drainé par des affluents de la rivière Hai He, tels que les rivières Sanggan et Hutuo. Le plus grand lac naturel du Shanxi est le lac Xiechi, un lac salé près de Yuncheng dans le sud-ouest du Shanxi.
Le contour du territoire du Shanxi est un parallélogramme qui va du sud-ouest au nord-est. C’est un plateau montagnard typique largement recouvert de loess. Le relief est élevé au nord-est et bas au sud-ouest. L’intérieur du plateau est vallonné, les vallées sont verticales et horizontales, et les types de reliefs sont complexes et divers. Il y a des montagnes, des collines, des terrasses, des plaines et des rivières. La superficie des montagnes et des collines représente 80,1% de la superficie totale de la province, et la superficie de Pingchuan et des vallées fluviales représente 19,9% de la superficie totale. La majeure partie de l’altitude de la province est supérieure à 1 500 mètres, et le point culminant est le Yedoufeng, le sommet principal de la montagne Wutai, avec une altitude de 3 061,1 mètres, qui est le plus haut sommet du nord de la Chine.
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