Область расположена на северо-западе Европейской части России.
Большая часть территории - плоская, местами заболоченная Приильменская низменность, в центре которой - озеро Ильмень (самое большое в области). Берега Ильменя изрезанные, часто низкие и заболоченные. В озеро впадают 52 реки, крупнейшие из них Мста, Шелонь и Ловать с Полистью, вытекает одна река - Волхов.
На юго-востоке - холмисто-моренная Валдайская возвышенность (высота до 299,6 м), на северо-востоке ее продолжение - Тихвинская гряда. Здесь проходит главный водораздел Восточно-Европейской равнины, с западных склонов возвышенности - реки бассейна Балтийского моря, а с восточных - бассейна Каспийского моря. В этой части области расположено большое количество озер, таких как Валдайское (самое глубоководное в области), Селигер (в пределы области входит только северный Полновский плес озера), Ужин, Пирос, Меглино, Вельё и других.
Область расположена в лесной зоне (южная тайга и смешанные леса) и обладает подзолистыми и болотистыми (на северо-западе) почвами. Леса занимают более 60 % территории области. На территории области расположены ООПТ в составе: 13 природных заказников и 112 памятников природы.