분지의 북쪽에서 남서쪽으로 마식령산맥(馬息嶺山脈)이 뻗어내리면서 석봉(石峰, 809m)·장재덕산(長在德山, 753m) 등을 정점으로 하여 고주애산(高柱崖山, 754m)·학봉산(鶴鳳山, 564m) 등으로 뻗어내리고 있다.
동쪽에는 감투봉(甘套峰, 717m)·대왕덕산(大王德山, 789m)·수청덕산(修淸德山, 681m) 등이 솟아 있다. 두 산지 사이를 임진강(臨津江)이 곡류(曲流)하며 남쪽으로 흐른다.
납·아연·구리 등이 매장되어 있는 주요 기반암은 화강편마암(花崗片麻岩)·화강암 등이고 부분적으로 석회암층이 분포한다. 토양은 산림갈색토이다.
연평균 기온은 9.0℃, 1월평균기온 -8℃, 8월평균기온은 24℃이며 연강수량은 1,300㎜ 안팎으로 많은 편이다.
이천분지의 동서 길이는 30km, 남북 길이는 25km이다. 주요 농산물은 논벼를 비롯하여 보리·밀·옥수수·감자 등이며 잎담배·양잠·사과·꿀 등의 특용 농산물의 생산량이 많다.
분지를 원산, 평강, 개성, 신계 등 여러 지역으로 이어지는 도로와 청년이천선이 통과하고 있다.