牡丹镇地处西秦岭山脉西段，地势东北高，西南低，地形为秦岭山地，主要山脉有吴家尖嘴、花猫嘴、马蹄梁、王家大山、大嘴梁、大营梁；最高峰吴家尖嘴位于境内南部，海拔1961米；最低点位于磨峪沟口，海拔1434米。

牡丹镇属温带半湿润气候，多年平均气温10.4℃，1月平均气温-6.3℃，极端最低气温-18.3℃（1955年1月10日），7月平均气温19.2℃，极端最高气温35.9℃（1997年7月21日），最低月均气温-8℃（1983年1月），最高月均气温29.7℃（2000年7月），平均气温年较差22℃，最大日较差25.9℃（1959年4月24日），生长期年平均256天，无霜期年平均174天，最长达213天，最短为135天；年平均日照时数1786.1小时，年总辐射116.6千卡/平方厘米，0℃以上持续期267天（一般为2月中旬~11月下旬），年平均降水量709.6毫米，年平均降水日数为107天，最多达141天，最少为95天；极端年最大降雨量718.3毫米（2003年），极端年最少雨量302.6毫米（1996年），降雨集中在每年6~9月，8月最多。

牡丹镇境内河道主要属西汉水流域，流域面积2.1平方千米；主要河道稠泥河为三级河，总长13.8千米；四级河4条，总长40.2千米，河流总长度54千米，境内最大的河流为稠泥河，从西北至东南流经境内转嘴、大柳树、刘家窑、王家铺进入华岐乡，主要支流有绿家沟等。

牡丹镇境内野生动物资源有雉、红腹锦鸡、狐、喜鹊、刺猬等，其中红腹锦鸡为国家三级保护动物；野生植物有半夏、杜仲、党参等。

牡丹镇主要自然灾害有冰雹、干旱、洪涝、大风、低温、霜冻、滑坡等；冰雹灾害年均发生1次，主要发生在5~10月，最严重的一次发生在2007年7月25日大湾梁地区，受灾人口162人，农作物受灾面积362亩，直接经济损失42.5万元。

2011年末，牡丹镇辖区总人口27698人，其中城镇常住人口4249人，城镇化率15.3%，另有流动人口92人。

2017年，牡丹镇常住人口22183人。

2018年，牡丹镇户籍人口27995人。

根据秦州区第七次全国人口普查公报显示，截至2020年11月1日零时，牡丹镇常住人口为10988人。常住人口中，共有户数4273户，其中家庭户4197户，集体户76户，平均家庭户规模2.46户/人；男性5699人，女性5289人，性别比为107.75。

牡丹镇有农业耕地面积7.7万亩，人均2.8亩；林地面积0.7万亩；2011年，农业总产值达到6436.9万元，比上年增长7.8%；粮食作物以小麦、玉米为主；2011年，生产粮食13629吨，人均492千克，其中小麦5177吨，玉米4508吨；主要经济作物有胡麻、油菜、葵花等；油料作物种植面积2.2万亩，产量1936吨，其中胡麻68吨，油菜1020吨；蔬菜种植面积0.8万亩，产量19000吨。

牡丹镇畜牧业以饲养生猪、羊、家禽为主；2011年，生猪饲养量7962头，年末存栏4376头；羊饲养量0.2万只，年末存栏0.1万只，收购山羊板皮850张；家禽饲养量1.5万羽，上市家禽0.7万羽；2011年，生产肉类293.1吨，其中猪肉251吨，羊肉13.2吨；禽蛋45.6吨，鲜奶3.2吨；畜牧业总产值620.8万元，占农业总产值的9.6%。

截至2011年末，牡丹镇累计造林7.3万亩，其中防护林5.7万亩，经济林0.1万亩，灌木林1.5万亩，农民住宅四旁树木6.2万株，林木覆盖率21.5%，活立木蓄积量3.6万立方米；2011年，水果种植面积200亩，产量322吨，主要品种有苹果、梨，其中苹果19吨，梨303吨。

2011年，牡丹镇有大型农业机械55台（辆）；绿色环保农产品有马铃薯，农民人均纯收入3138元。

2011年末，牡丹镇有商业网点712个，其中商贸市场2个，建材市场3个，共有职工1082人；社会商品销售总额达3364万元，比上年增长9.6%；城乡集市贸易成交额2031万元，比上年增长10.1%。

2011年，牡丹镇财政总收入336.8万元，比上年增长15%，其中地方财政收入112.2万元，比上年增长11.8%；从各主要税种看，完成营业税67.3万元，增值税101.1万元，企业所得税6.7万元，个人所得税26.9万元，分别比上年增长10.2%、11.2%、3.2%、6.5%；人均财政收入121.6元，比上年增长14%。

2011年，牡丹镇有金融机构2家；各类存款余额1.2亿元，比上年增长3.8%，人均储蓄4332.4元；各项贷款余额0.4亿元，比上年增长7.9%。

2018年，牡丹镇有营业面积超过50平方米以上的综合商店或超市1个。

2011年末，牡丹镇有文化艺术团体5个，会员162个，其中团体会员1个，个人会员161个，创作完成的文化艺术作品有鞭杆舞《庆丰年》、相声《夸牡丹》；各类艺术表演团体3个，演职人员62人，剧场1座，座位100个，年演出16场次，观众达1334人次；电影放映单位1个，年放映124场次，观众达10340人次；文化站1个，建筑面积414.5平方米；村文化活动中心26个，农家书屋31个，藏书3万余册；公共图书室1个，建筑面积45平方米；文学艺术业余创作人员98人；文化行业从业人员13人，其中事业单位从业人员2人。

牡丹镇地方特色民间艺术有社火、鞭杆舞等，其中鞭杆舞表演队在秦州区中华人民共和国成立60周年文艺演出中荣获一等奖。

2011年末，牡丹镇有体育场地23处，各级社会体育指导员6人；每年定期举办的体育活动有中、小学生体育运动会5次，23%的村安装了健身器材，经常参加体育活动的人员占常住人口的13%。

1960年1月，牡丹镇开通有线广播站，城区到乡镇41杆千米，乡镇到村48杆千米，村以下3200杆千米；1985年7月开通广播电台，有广播喇叭5430只，入户率97%，通响率98%，2003年11月，开通模拟有线电视，共有601个电视节目；2011年末，有线电视用户1600户，广播电视“村村通”用户2867户，电视综合覆盖率80%。

2011年末，牡丹镇有幼儿园2所，在园幼儿50人，专任教师6人；小学21所，在校生2820人，专任教师176人，小学适龄儿童入学率100%；初中1所，在校生960人，专任教师84人，初中适龄人口入学率、小升初升学率、九年义务教育覆盖率均达100%；普通高中1所，在校生743人，专任教师39人；主要学校有牡丹中学，2011年，教育经费达1770万元，国家财政性教育经费550万元。

2011年末，牡丹镇有各级各类医疗卫生机构39个，其中乡镇卫生院1所，病床24张；村级卫生所38所，固定资产总值56万元，专业卫生人员15人，其中执业医师4人，执业助理医师2人，注册护士5人；2011年，医疗机构（门诊部以上）完成诊疗0.9万人次，住院手术214台次，出院病人972人次。

2011年，牡丹镇法定报告传染病发病率为151/10万，农村安全饮用水普及率95%，农村卫生厕所普及率75.4%，新型农村合作医疗参合人数2.3万人，参合率95%，孕产妇死亡率24/10万。

2011年，牡丹镇有农村最低生活保障户数879户，人数1910人，支出222.1万元，比上年增长29.7%；农村五保集中供养4人，支出1.1万元，比上年增长34.2%；农村五保分散供养136人，支出36.1万元，比上年增长37.6%；农村医疗救助130人次，共支出114.4万元，比上年增长265.3%；农村临时救济4人次，支出2万元，比上年增长400%。

2011年，牡丹镇自然灾害受灾人口36人，农作物受灾面积230亩，倒塌房屋27间，直接经济损失26.4万元，救灾支出3.9万元，比上年增长6.8%；国家抚恤、补助各类优抚对象87人，抚恤事业费支出35.1万元，比上年增长17.1%。

2011年末，牡丹镇有邮政网点2个，投递路线单程总长度15.4千米，投递点25个，乡村通邮率100%；全年投递国内函件3.2万件，国内汇票业务完成680笔，国内异地特快专递信件完成380件，征订报纸3万份、期刊0.3万册，业务收入68万元。

2011年末，牡丹镇有电信服务网点4个；固定电话用户1860户，比上年增加120户，电话用户普及率达到33%，比上年提高2个百分点；移动电话用户1.1万户，比上年增加2400户，移动电话普及率为40%，比上年提高3个百分点；光缆线路总长达17.5千米，主干电缆达13对千米，宽带接入用户420户，比上年增加89户，全年电信业务收入898万元。

牡丹镇已形成由公路运输方式构成的交通运输网络，2011年，客运总量11.7万人次，货运总量57万吨；有县级公路3条，总长46.5千米；牡丹客运站日均发送32辆客车，日客运量500人次。

2011年末，牡丹镇镇区道路总长度6千米，镇区有客运车辆16辆，日发客运汽车32班次，日均客运量500余人。