Тамбовская область располагается в центральной части Восточно-Европейской (Русской) равнины, занимая большую часть Окско-Донской низменности. Плоские водоразделы чередуются с широкими речными долинами; ср. высоты 150 м. На востоке области (водораздел рек Цны и Вороны) заходят отроги Приволжской возвышенности высотой до 214 м. В бассейнах рек Цны и Вороны развиты овраги и балки.
На территории Тамбовской области преобладают черноземные почвы. Общей чертой почвообразующих пород является их тяжелый механический состав. Только по зандрам и речным террасам распространены супесчаные и песчаные почвы. Самые северные районы области заняты оподзоленными черноземами и серыми лесными почвами. Под лесными массивами сформировались дерновые слабоподзолистые почвы.
Широкую полосу с севера по линии городов Мичуринск, Тамбов и Кирсанов занимают выщелоченные черноземы. Они имеют на междуречьях мощность гумусового горизонта 50 - 70 см с содержанием перегноя 6 - 8,5%. Южнее Тамбова проходит полоса типичных (мощных) черноземов. Типичные черноземы имеют мощность гумусового горизонта 80 - 100 см с содержанием перегноя в пахотном горизонте 9 - 12%.
В полосах выщелоченных и типичных черноземах большие площади на Окско-Донской равнине занимают лугово-черноземные почвы с близким залеганием грунтовых вод, богатые гумусом и обладающие высоким плодородием.
Вблизи западин наблюдается содовое засоление почв, в том числе и луговочерноземных. В самих западинах на севере района формируются поверхностно-глеевые и лугово-болотные почвы, а на юге - солоди и солонцы.
В поймах малых рек с коротким периодом половодья формируются луговые черноземовидные почвы, а по высоким поймам - зональные подтипы черноземов. В поймах более крупных рек распределение почв зависит от высотного уровня участка. На низкой прирусловой пойме образуются гумусированные пески и песчаные аллювиально луговые почвы. В притеррасной низкой пойме распространены лугово-болотные, торфяно-болотные почвы. В средней пойме развиты пойменные слоистые и зернистые, а под лесами - пойменно-лесные и желто-серые почвы. В высокой пойме почвы все более приобретают свойства зональных подтипов черноземов.
Реки Тамбовской области относятся к бассейнам Волги (Цна с притоками Челновая, Керша, Кашма) и Дона (Воронеж с притоками Польной Воронеж и Лесной Воронеж, Ворона, Савала, Битюг, Матыра).
Климат области умеренно континентальный. Средняя температура января - 10,5°С на юго-западе и 11,5°С на востоке; июля - 19,5°С на севере и 20,5°С на юге. Осадков выпадает на юге и юго-востоке до 450 мм, на севере около 500 мм в год; максимум их (до 70%) приходится на апрель - октябрь. Продолжительность вегетационного периода - 178 суток на севере и 185 суток на юге области.
На территории Тамбовской области преобладают ветры южных и юго-восточных направлений, особенно в зимний и весенний период. Это же направление имеют суховейные ветры весной и летом, метелевые ветры зимой.
Число часов солнечного сияния в г. Тамбове сопоставимо с курортами Северного Кавказа. К сожалению, это же обстоятельство объясняет частую повторяемость засушливых и суховейных периодов. Интенсивные суховеи с ветром более 8 м/с, дефицитом влажности воздуха 30 - 40% бывают в течение 7 - 15 дней в 40 - 90% летних сезонов, особенно на юго-востоке области. Вероятность интенсивных засух в области составляет 20 - 40%, а очень интенсивные засухи проявляются через 10 - 12 лет.
Зажатая между Среднерусской и Приволжской возвышенностями Тамбовская равнина имеет вид желоба, по которому на юг легко скатывается холодный арктический воздух. Поэтому заморозки на почве с понижением температуры до - 2 - 4°С возможны до середины мая и в конце сентября. Также легко проникают в Тамбовскую область и "горячие" сухие ветры с юго-востока, из Нижнего Поволжья.
В последние десятилетия XX века и начале XXI века все чаще наблюдаются значительные отклонения климатических показателей от среднемноголетних.