牡丹镇在秦州区西南部，东接店镇乡，南接华岐乡，西与秦岭乡、礼县马河乡相接，北与藉口、太京镇近邻。境内地势起伏较大，其走向东北高，西南低。最高海拔2023米，最低海拔1581米。随着天牡、罗牡公路的拓宽改造，交通便利。年最高气温34.6℃最低气温-20℃，年无霜期152天。年平均降雨量643.2毫米。境内稠泥河流经西南部。