La capitale du Sundgau est Altkirch et est la ville la plus peuplée (5386 habitants en 1999). Les principales communes de ce territoire sont Dannemarie (2011 habitants), Hirsingue (2057 habitants) et Ferrette (moins de mille habitants), toutes trois chefs-lieux de canton. Ces trois cantons et celui d'Altkirch forment l’arrondissement d'Altkirch, qui forme une partie du Sundgau géographique mais correspond presque exactement au Pays du Sundgau, au sens de la loi LOADDT qui met en place un pays comme un territoire de projets.
Le Sundgau est caractérisé par un relief de type collinaire qui est délimité au sud par la frontière suisse et les contreforts du Jura, à l'est par la vallée rhénane, au nord par Mulhouse et le bassin potassique d'Alsace et à l'ouest par la trouée de Belfort. Bien que le Sundgau soit un pays périphérique de type rural, il est entouré de grandes agglomérations en pleines expansions : l’Aire urbaine Belfort-Montbéliard, l’Agglomération Mulhousienne et l’Agglomération transfrontalière de Bâle.
L'Ill, la plus importante rivière d'Alsace et affluent du Rhin, traverse le Sundgau du sud au nord, sa source étant à Winkel dans les contreforts du Jura. Il existe d'autres cours d'eau, qui définissent les vallées de la région, comme la Largue, dont la source se situe près de Courtavon, qui passe par Dannemarie, et se jette dans l'Ill à la hauteur d'Illfurth.
La présence de lœss, un limon très fertile, a favorisé une agriculture polyvalente, selon un plan parcellaire en ruban. Les plus grandes productions issues de cette agriculture sont le maïs, le blé, le colza...
Le fond des vallons a été aménagé en étangs par des moines pour l'élevage de carpes à l'époque médiévale.