Поверхность территории области представляет несколько приподнятую равнину, по которой проходят юго-западные отроги Орловско-Курского плато Среднерусской возвышенности, расчлененного многочисленными речными долинами и густой овражно-балочной сетью. Самая высокая точка (277 м над уровнем моря) находится в Прохоровском районе. Самая низкая - в днище долин рек Оскола и Северского Донца. Главные реки: Оскол (226 км), Ворскла (118 км), Тихая Сосна (105 км), Северский Донец (102 км). Область относится к числу маловодных: реками, озерами и болотами занято около 1 процента ее территории.
Климат умеренно континентальный, с довольно мягкой зимой, со снегопадами и оттепелями и продолжительным летом. Средняя годовая температура воздуха изменяется от +5,4 °С на севере до +6,7 °С на юго-востоке. Самый холодный месяц - январь. Безморозный период составляет 155 - 160 дней, продолжительность солнечного времени - 1900 - 2000 часов в год. Почва промерзает и нагревается до глубины 0,5 - 1 метра. Осадки неравномерны. Наибольшее их количество выпадает в западных и северных районах области. Годовая норма осадков составляет в среднем 540 - 550 мм. В восточных и юго-восточных районах области количество осадков в отдельные годы уменьшается до 400 мм. Северная часть области находится в лесостепной зоне, юго-восточная часть - в степной зоне.
Природной особенностью растительного покрова области является островное распространение широколистных лесов, дубрав и участков степной растительности. Площадь всех лесов составляет 242 тыс. гектар - 8,92 процента территории области, заповедные лесные участки составляют 13 тыс. гектар. Общие запасы древесины - 34,3 млн. куб. м.