大同鎮位於永登縣西部，莊浪河中下遊，東接四川鎮，南接龍泉寺鎮，西接童淵鄉，北接劉舒鄉。面積285平方公裏。
大同鎮的地形特征可以概括為“兩江三山”形成的黃土丘陵區和秦王川盆地。地貌特點是石山和黃土丘陵交錯分布。地形處於青藏高原東北部與黃土高原西部的過渡地帶，也是祁連山支脈向東延伸與隴西沈降盆地的過渡地帶。山巒重疊，丘陵起伏，河流從中穿過。巍峨的烏鞘嶺屹立在縣城北部，黃河蜿蜒流過縣城南部。整個地形由西北向東南傾斜，海拔3000 ~ 1600米。