地質的には北部が第四紀の沖積層、南部は第三紀層および白亜紀堆積層。
東京湾沿いは埋立地が多く、浦賀水道の対岸に三浦半島がある。太平洋沿いは九十九里浜が面し、九十九里平野が広がる。半島南部には房総丘陵、半島中央部には上総丘陵と上総台地 、半島北部には下総台地があり、これらの台地や丘陵には侵食によってできた谷底平野がみられる。一方で半島の北部から中部にかけて下総台地を囲む形で西に江戸川低地・東京湾岸低地、北に利根川下流低地、東に九十九里沖積低地が分布する。
利根川、夷隅川、栗山川、小櫃川、養老川、一宮川、小糸川、南白亀川、村田川、作田川、木戸川、塩田川
手賀沼、印旛沼、大利根用水、両総用水、成田用水、東総用水、利根運河、利根川河口堰、黒部川水門、北千葉導水路、房総導水路、行徳可動堰、江戸川水閘門（江戸川水門）
自然公園
国定公園
水郷筑波国定公園、南房総国定公園
県立自然公園
県立養老渓谷奥清澄自然公園、県立九十九里自然公園、県立印旛手賀自然公園、県立高宕山自然公園、県立嶺岡山系自然公園 県立富山自然公園、県立大利根自然公園、県立笠森鶴舞自然公園
県名の起こりは、廃藩置県後、間もなくに行われた県の統合の際に千葉郡千葉町に県庁が置かれたため、その地名が採用された。又、千葉地名がいつの頃に発生したのかは定かではないが、律令制以前の国造名(千葉国造)、律令制以来の郡名(千葉郡)に見られる。千葉地名の由来については、諸説あるが、一説によると「数多くの葉が繁茂する」の意で、(1)実り豊かな豊穣の地を示しているとも(2)たくさんの草木が生い茂る原野だったからとも(3)土地と子孫の繁栄を願っての地名だとも説かれる。なお、日本書紀と古事記の両書には、応神天皇が大和から近江に向かう途中、山城の宇治野の丘で遠く葛野一帯をのぞんでの国見歌で現れる「千葉の」は数多くの葉の意味で、葛の葉が良く繁栄したことから葛の枕詞として用いられたのだと、契沖以来考えられており、古代人が千葉地名に託した願いを知る上での重要な資料のひとつといわれている。
（和歌については、以下を参照）（和歌）千葉の 葛野を見れば 百千足る 家庭も見ゆ 国の秀も見ゆ（訳）千葉の葛野を眺めると、数多くの富み栄える民の家々も見える。国の中でもっとも繁栄したところにも見える
現存の文書中、千葉という地名がもっとも古くにみえるのは、『万葉集』20巻の千葉郡出身の防人大田部足人の詠んだの一首だといわれている。（和歌については、以下を参照）（和歌）千葉の野の 児手柏の 含まれど あやにかなしみ 置きて高来ぬ（訳）千葉の児手柏の葉がまだ開きってないように、若くあどけない彼女（娘）が何とも痛々しくて、手も触れずに遠くはるばるとやってきた
地殻変動により隆起して半島が形成された。上総の山稜地帯はその名残である。
古代の東京湾
今から約12万年前は、関東平野のほとんどは海面下で、現在の千葉県は房総半島南部の山脈が小島として水面上に出ているのみだった。約2万年前のヴュルム氷期になると、海岸線の大幅な後退と周辺山脈の活発な火山活動などに伴い海面は、現在より、80-100ｍも低くなり、東京湾は盆地(陸地)となっていた。台地から流れ出た水は、最終的に古東京川(現東京湾沖にあった)と呼ばれる大河を形成し、古太平洋へと注いでいたという。富津沖の中ノ瀬は、当時の川中島であり、観音崎から急に水深が深くなっているのは、古東京川の流れがえぐったためではないかと考えられている。
房総に来た最初の住人は、約3万数千年前の旧石器時代の人々だと言われている。旧石器時代の人々は、ナウマンゾウやオオツノシカなどを食料にした狩猟生活が営まれていた。そのため、狩猟に使用するための石器などを使用した道具が進化した。石器は、黒曜石やサヌカイトを使用したものが著名で、千葉県最初の旧石器時代の黒曜石は、市川市国府台にある立川ローム層から発見された。千葉県には、石器の原料となる産地が乏しいく、長野県の中部高地や神奈川県の箱根山、伊豆の神津島などから運ばれたと考えられている。現在の学術調査から旧石器時代の遺跡は、300数十箇所ほど発見されている。また、印旛村では、日本初のナウマンゾウの全身骨格が発見され、成田市（旧・下総町）では、ナウマンゾウの頭骨が発見されている（共に国立科学博物館収蔵）。
