呂梁山位於山西省西部，與山西省東緣的太行山大致平行，呈東北–西南走向，綿延400多公里，是黃河中游黃河幹流與支流汾河的分水嶺。
呂梁山脈的地質構造為呂梁背斜褶皺斷塊山地。向北伸為兩支，近東北方向為管涔山和蘆芽山，其東面為雲中山，東至雁門關與五臺山相接。中段為關帝山，主峰位於太原西方，海拔2831米，又名南陽山。南段為火焰山、龍門山，端點為黃河東岸的禹門口。呂梁山脈西坡有厚層的黃土堆積，水土流失嚴重，是黃河中游重點產沙區之一。山脈東翼為斷层构造，山势陡峻，俯瞰汾河地堑中的忻州、太原、临汾盆地。山脉中高峰海拔多在2500米以上，对区域气候有明显的作用。
吕梁山东侧的水热条件相对优越，发源有汾河的干流和部分支流，是汾河的主要水源区。历史时期山区森林茂盛，植被类型多样。山脉的地理纬度地带性特征明显，以芦芽山为代表的北段分布有寒温带针叶林，中段关帝山为温带针阔叶混交林，南段的五鹿山为暖温带阔叶林。其中芦芽山自然保护区是山西省动植物及生态系统完整的生物生态系统综合保护区，该区于1980年在五寨县境内建立，面积2.15万公顷。保护区内分布有灌丛草原、常绿针叶林、亚高山草甸等多种植被类型。优势树种为华北落叶松和云杉。保护区内还栖息着多种食草、食肉类动物，其中以褐色鸡最为珍贵。芦芽山海拔2739米，地形复杂，沟壑纵横，怪石嶙峋，形似芦芽，故名。它又是山西省的著名风景区。吕梁山南部、位于吉县的黄河壶口瀑布是著名的胜景。
吕梁山东南麓的临汾盆地是中国远古文明发源地之一。以后的人类活动也创造出辉煌的文明。现吕梁山区保存有偏关、宁武关、晋祠、天龙山石窟、玄中寺、则天庙、东岳庙、乡宁千佛洞、山神峪千佛洞等文物古迹，在汾阳县有汾酒、竹叶青酒等地方名产。