무산고원은 함경북도 무산군과 연사군, 양강도 백암군에 걸쳐 있는 고원이다. 함경산맥 서쪽에서 두만강에 이르고, 마천령산맥의 북동쪽으로 둘러싸인 삼각형 지대로, 고원 서쪽은 백두용암대지의 일부를 이룬다. 고원을 흐르는 하천 유역에 형성된 골짜기들은 급경사를 이루며, 감입곡류 구간에는 하안단구가, 하천 하류에는 주상절리가 나타난다. 고원 서쪽의 백두용암대지에는 북서-남동 방향의 단열대를 따라 화산군으로 이루어진 백두 화산열이 위치하며, 관모산을 중심으로 현무암 고원지대를 이루고 있다. 면적 2,100㎢, 해발고도 1,050m이다.
무산고원은 함경북도 무산군과 연사군, 양강도 백암군 일부 지역에 위치하는 백무고원(白茂高原)[백두고원 및 무산고원]의 동쪽에 위치한 고원이다. 함경산맥 서쪽에서 두만강에 이르고, 마천령산맥의 북동쪽으로 둘러싸인 삼각형 지대이며, 무산고원 서쪽은 백두용암대지(白頭熔岩臺地)의 일부를 이룬다. 두만강의 지류인 서두수(西頭水)가 깊은 골짜기를 형성하며 감입곡류하천을 이룬다.
동부 지역은 중생대 쥐라기 대보화강암과 선캄브리아기의 화강편마암으로 이루어진 고원지대이며, 신생대 제3기 중신세(中新世) 때 지반의 융기운동을 받았다. 서부 지역은 제3기 말에서 제4기 초에 걸쳐 현무암질 용암이 분출하여 백두용암대지의 일부를 형성했다. 이후 지반 융기로 인해 하천의 유속이 빨라져 하방침식이 활발하게 나타나면서 골짜기가 형성되었고, 이에 따라 개석고원(開析高原)으로 발달했다. 고원의 면적은 약 2,100㎢, 평균 해발고도는 약 1,050m에 이른다.
무산고원은 백두고원과 함께 선캄브리아기 마천령계의 변성퇴적암과 중생대 쥐라기의 대보화강암류가 신생대 제3기 마이오세까지 침식작용을 받아 준평원화된 후, 제3기 말부터 제4기 초의 경동성 요곡 운동으로 인해 약 1,000m가 융기하여 형성되었다. 또한 이 시기에 북한의 지체 구조 단위 중 하나인 육대퇴적층과 두만강습곡대의 경계에 해당하는 서두수 골짜기 서쪽 지역[백두고원]에는 백두화산대에서 분출한 현무암질 용암이 열하 분출하여 새로운 고원면을 이루었다. 이후 무산고원에서는 기존 하천을 따라 오랜 세월 침탈, 삭박되어 깊은 골짜기가 형성되었고, 주변 지역도 침식작용이 지속되어 개석고원이 되었다.
고원의 북쪽에는 두만강으로 유입되는 서두수, 연면수, 성천수를 비롯해 그 지류인 대리천, 설령천, 구운수, 초소천, 박하천, 오로천 등이 분포한다. 이들 하천은 감입곡류하천을 형성하면서 침식작용이 활발하게 일어나, 본래의 고원면은 거의 남아 있지 않고 현재는 중산성 산지로 변화했다. 다만 차유봉, 민봉산, 문봉산, 명장산, 검덕산, 곤봉산 등 일부 산과 산줄기의 능선에는 융기 이전의 침식면을 반영하는 소기복의 평탄한 지형이 산 정상부를 중심으로 유적으로 남아 있다. 이 평탄면은 융기 이전 준평원의 잔존 지형으로서 지형사 연구에서 중요한 의미를 지닌다. 주요 평탄면의 해발고도는 1,3001,500m, 2,1002,200m, 2,300~2,500m이다.
무산고원을 흐르는 하천들은 연중 고르게 비가 내려 수량은 비교적 안정적이며, 설수의 영향으로 수위 변화도 심하지 않다. 그러나 이들 하천에 의해 고원은 깊이 침식되어 민봉산줄기, 백무산줄기 등 수많은 지맥으로 분리되었으며, 골짜기들은 30~40°의 급한 경사를 이룬다. 감입곡류하천의 일부 지역에는 지반 융기와 기후변화로 인해 형성된 하안단구가 발달되어 있다. 두만강 · 서두수 · 연면수의 하류 골짜기에는 과거 현무암이 쌓였다가 침식되면서 드러난 주상절리가 관찰된다. 이외에도 연사군 노평리의 노평덕 · 송평덕, 무산군 홍암리의 광덕, 임강리의 두계평 · 중평 · 연덕 등에는 현무암 고원지대가 형성되어 있다.
무산고원 서쪽의 백두용암대지에는 북서-남동 방향의 단열대를 따라 화산군으로 이루어진 백두 화산열이 분포한다. 무산고원의 대표적 화산인 관모산[1,504m]은 이 화산열의 북동단에 위치하며, 북포태산과 장군봉 화산군과 인접해 있다. 백두용암대지는 주로 현무암과 조면암으로 이루어져 있으며, 초기에는 점성이 낮은 염기성 용암이 분출되었고, 제4기 중기 이후에는 조면암질 알칼리성 용암이 분출되었다. 무산고원에서 나타나는 토양은 부석층토양, 산림갈색토양, 충적토, 표백화산림갈색토양 등이다. 이 중 부석층토양은 백두산 화산 폭발의 결과 형성된 화산기원 토양으로, 백두산의 화산활동을 입증하는 중요한 지질 증거이다.
무산고원은 바다와의 사이에 고도가 높은 함경산맥이 있어 해양의 영향은 적고, 대륙과 맞닿은 내륙지대에 있어 대륙성기후의 특징이 뚜렷하다. 연평균 기온 2.85.2℃, 1월 평균기온 -19-13℃, 8월 평균기온은 18.220℃이며, 5℃ 이상 적산온도는 1,8603,016℃, 첫서리는 9월 18일29일에 나타난다. 연평균 강수량은 500582㎜ 정도로 비교적 적은 편이다. 겨울철 기온은 특히 낮아 같은 위도의 동해안 지역보다도 현저히 낮은데, 예를 들어 함경북도 연사군의 1월 평균기온은 동해안의 경성군보다 약 7.3℃, 북쪽의 선봉군[현, 나선시]보다 약 6.7℃ 낮다.