Nusaybin, Mardin iline bağlı büyük bir ilçe merkezidir. Yukarı Mezopotamya'da yer alan ilçenin sınırları batıda Mardin, kuzeybatıda Ömerli, kuzeydeMidyat, kuzeydoğuda İdil, güneyde Suriye ile komşudur. Suriye'nin Kamışlı ilçesi ile Nusaybin arasındaki mesafe 1 km kadardır. Nusaybin 370 02' - 370 13' kuzey enlemleri ile 410 03' - 410 45' doğu boylamları arasındadır. Deniz seviyesinden yüksekliği 500 m'dir. Yüzölçümü 1.177 km2 olup bunun 2/3'ü ova, kalanı ise dağlıktır. En yüksek yeri olan Bagok Dağı'nın deniz seviyesinden yüksekliği 1275 m'dir. Nusaybin'in yeryüzü şekilleri, III. zamanda Toros kıvrımları oluşurken ortaya çıkmıştır. Nusaybin Ovası IV. zaman alüvyonları ile örtülü olan Mezopotamya'nın devamı durumundadır. İlçenin kuzeyini boydan boya kaplayan dağların kuzey ve kuzeybatı kesimini Mardin eşiği, kuzeydoğu bölümünü ise Bagok Dağları kaplamaktadır. Mezopotamya'nın devamı durumundaki Kızıltepe, Mardin, Nusaybin, Cizre ve Silopi ovaları bir bütün oluşturup geniş alanlar kaplar. Bu verimli alanlarda MÖ 8000 yıllarında çiftçilik ve hayvancılık başlamıştır. Asya'yı Doğu Akdeniz'e ve Mezopotamya'yı Doğu Anadolu'ya bağlayan tüm yollar antik çağlarda ilçemizden geçmekteydi. Gerek bu stratejik konumu ve gerekse ekonomik durumu nedeniyle ilçemiz en eski çağlardan beri yoğun bir şekilde yerleşime sahne olmuştur. Bugün ilçemiz, halk arasında “İpek Yolu” adıyla bilinen E-24 Karayolu üzerindedir. Ayrıca 1892-1906 yılları arasında Osmanlılar zamanında yapımına başlanıp tamamlanan Haydarpaşa-Bağdat Demiryolu'nun Türkiye topraklarındaki son istasyonu da ilçemizde bulunmaktadır. Nusaybin kenti tamamen düz bir alanda kurulmuştur. Yerleşik alanın büyük bir kesimi İpek Yolu'nun güneyinde yer almaktadır. Şehrin kuzeyinde topografya dalgalı olarak yükselmekte, belirli kesimlerde eğimler % 20'nin üzerine çıkmaktadır. Bayındırlık ve İskân Bakanlığı tarafından 1996 yılında yayımlanan “Türkiye Deprem Bölgeleri Haritası”nda ilçemiz üçüncü derece deprem kuşağında görülmektedir.
İlçemizin iki önemli akarsuyu vardır. Bunlardan en önemlisi ve en büyüğü olan Çağçağ Deresi, Güneydoğu Toroslar'ın Bagok Dağları'ndan doğmaktadır. Beyazsu ve Karasu birleşiminden meydana gelen dere, Nusaybin Ovası'na akmaktadır. İlçe arazisini ve yerleşim alanını ikiye bölerek geçen ve yöreye büyük önem kazandıran Çağçağ Deresi Suriye'de Habur Irmağı'na karışır. Sulama kanallarıyla ovada sulu ziraat yapılmaktadır. Bu alanda en çok, bugün ilçenin sembolü durumuna gelmiş olan pamuk yetiştirilmektedir. İlçenin ikinci önemli deresi ise İlkadım köyünde doğar ve Akarsu bucağından geçer. Bu dere sadece bahçe sulamada kullanılmaktadır. Ayrıca ilçede Pazar-Değirmencik arasında çıkan ve Değirmencik ile Bakacık köylerinin arazisini sulayan Borenge Suyu ile Sere Kani (Pınarbaşı) suları da vardır. Çağçağ Deresi'ni (Bunıstra Çayı) oluşturan iki koldan biri olan Karasu, Tehtakereş Dağları'nın eteklerinde Hırbeşimrik, Mahserte ve Görik köylerinin etrafındaki küçük dereciklerin birleşmesiyle meydana gelmektedir. Bu kol güneydoğuya doğru akarak Sakecli, Mikri ve Havadin köylerinin batısından geçer ve Zeveran sırtları mevkiinde Beyazsu ile birleşir. Beyazsu kolu ise Tefi sırtlarından Batuş ve Haldah köylerinin kuzeyindeki küçük dereciklerin birleşmesiyle meydana gelir. Güneydoğuya doğru akarken pınarlar ile beslenir ve güneybatıya yönelerek Karasu ile birleşir. Karasu ve Beyazsu birleştikten sonra Çağçağ adı altında güneye doğru dar bir vadi içinde akarak, Gürün köyü civarında 1968 yılında faaliyete geçen Çağçağ Hidroelektrik Santrali'nde enerji oluşturduktan sonra, sağ ve sol ana kanallarla Nusaybin Ovası'nın 6900 hektarlık alanının sulamasını sağlar. Çağçağ güneye doğru akışına devam ederek Nusaybin Ovası'nı kat ettikten sonra Nusaybin topraklarını terk ederek Suriye topraklarına geçer. Suriye topraklarında sağ ve solundan ufak kollar alarak güneyde Hassek mevkiinde Ceylanpınar ilçesi civarında başlayan Habur kolu ile birleşir ve Habur adı ile Deyrizor kasabasının güneyinde Fırat Nehri'ne katılır. Çağçağ Deresi'nin kat ettiği dar vadi yöre halkının rağbet ettiği bir mesire alanı durumundadır. Bunun yanı sıra 130 dekarlık regülatör piknik alanı da mevcuttur. Söz konusu piknik sahası Nusaybin halkının sıcak geçen yaz günlerinde dinlendikleri alanlardan biridir. Yörenin en güzel, en çekici yeri olan baraj ve subaşı, yazları yalnız Nusaybin'den değil çevre il ve ilçelerden de ziyaretçi akınına uğramaktadır. Nusaybin'in can damarını oluşturan Çağçağ Suyu, sulama ve içme amaçlı kullanımın yanı sıra, enerji üretiminde de devreye girmektedir. 1968'de işletmeye açılan Nusaybin Çağçağ Hidroelektrik Santrali'nin ortalama yıllık elektrik üretim ilk yıllarda 42 GWh iken, daha sonraları suyun durumuna göre azalma göstermiş ve 1999 yılı üretimi 42 GWh'ye düşmüştür. Santral ilk inşa edildiği yıllarda nüfusa bağlı olarak Nusaybin ve çevresine yeterli gelirken, şu anda artan nüfus ve enerji ihtiyacını karşılayamamakta; sadece Nusaybin'in çok az bir kısmının enerji ihtiyacını giderebilmektedir. Nusaybin'in şehir merkezi ile bağlı bulunan tüm köylerinin 1999 enerji tüketimi 135.472.622 kW olup bunun 31.406.622 kW'lık tüketimi Nusaybin Çağçağ Hidroelektrik Santrali'nden, 104.066.000 Kw'lık tüketimi de Mardin trafo merkezinden karşılanmaktadır. Çağçağ'ın ana kollarından Beyazsu kaynak suyu ise, artık Nusaybinlilerin musluklarında: 256 bin kişinin ihtiyacını karşılayacak şekilde tasarlanan proje tamamlanmış olup, Beyazsu Kaynağı'ndan getirilen temiz içme suyu 17 Şubat 2001 tarihinden itibaren kente verilmeye başlanmıştır