プレート理論では、東北地方は北海道とともに北アメリカプレート上に存在し、東側から太平洋プレートが日本海溝で潜り込んでいる。そのため、東北地方の中央には、日本海溝と平行に南北に那須火山帯が走っている。この火山帯の上には、下北半島の恐山山地、および、南北に長く奥羽山脈が連なっており、北から恐山、八甲田山・八幡平・岩手山・栗駒山・蔵王連峰・吾妻連峰・安達太良山・那須岳などの火山が多くある。那須火山帯（奥羽山脈）の上にはカルデラ地形の鬼首カルデラおよび十和田湖・田沢湖・蔵王の御釜などのカルデラ湖も多く、火山の恩恵である温泉も多い。なお、猪苗代湖は断層湖である。
日本海側には、ユーラシアプレートと北アメリカプレートの境界が南北に走っているため、那須火山帯と平行に鳥海火山帯が南北に走っている。この火山帯の上には、白神山地・出羽山地（太平山地・朝日山地・飯豊山地）・越後山脈が連なっており、岩木山・鳥海山・月山などの美しい稜線を持った火山が見られる。山地が海に接する部分では、海岸沿いに温泉が湧いており、海を眺めながら入浴することが出来る。
太平洋側には北上山地と阿武隈高地がある。これらは、隆起地形が侵食され、現在は老年期地形となった、なだらかで低い山地である。残丘として標高1917mの早池峰山があるが、基本的になだらかな山地で、奥羽山脈より日本海側と比べると積雪も少ないためスキー場がなく、火山帯ではないため温泉も少ない。ただし昔、海底にあって隆起した証拠である鍾乳洞などの石灰岩地形が多く見られる。北上山地が海にせり出しているリアス式海岸の三陸海岸では、石灰岩が波に洗われてつくりだされた複雑な海岸線や真っ白な砂浜が見られ、親潮のコバルトブルーの海とコントラストを作り出している。阿武隈高地と太平洋の間は離水海岸となっており、リアス式海岸の間の海が埋め立てられたような小規模な沖積平野が小高い山地と交互に存在しながら延々と続く。
これら3連の南北に連なる山脈・山地の間には、北上川、阿武隈川、雄物川、最上川などの河川が流れ、多くの盆地や平野を作り出している。
気候は、小地形による修飾があるが、大きく日本海沿岸、奥羽山脈西側（盆地）、奥羽山脈東側（盆地）、太平洋沿岸 の4つのグループに分かれており、それぞれ異なった傾向を持っている。また、それぞれのグループごとに、北と南で微妙な違いもある。
日本海沿岸と奥羽山脈西側（盆地）の「日本海側グループ」は、日本海側気候となっており、夏季はフェーン現象により、晴天が多く、非常な高温になることがある（山形市で40.8度を記録）。しかし、昼間の高温の割りに夜間は気温が下がって過ごし易い。冬季は、日照時間が少なく、豪雪地帯となっているところが多いが、特に奥羽山脈西側の盆地の降雪量が多い。
太平洋側の奥羽山脈東側（盆地）は、内陸性気候になっている。夏季は、フェーン現象により高温となる日と、太平洋沿岸地域のような曇天で気温が低い日との両方がある。冬季も、寒気団や北風・西風などの諸要因が強いと日本海側のように雪が降る場合がある一方、太平洋沿岸地域のように、晴天になる日も多い。
太平洋沿岸は、太平洋側気候になっている。夏季は、北部・中部は通常曇天で気温が上がらず、数年毎にやませの流入により、低温で悪天候の冷夏となる年がある。南部（福島県浜通り）の夏季は、太平洋高気圧の影響下に入り易く、高温で晴天の日が多い。中部・南部は、冬季の積雪量は少なく、晴れて空気は乾燥する。
主な都市の冬 （平年値）
都市降雪量累計最深積雪1月（平年値）
日照時間日隔差平均気温最高気温最低気温
札幌630 cm101 cm97.2 時間8.6℃-4.1℃-0.9℃-7.7℃
深浦385 cm44 cm31.3 時間4.7℃-0.4℃2.0℃-2.7℃
秋田409 cm41 cm44.6 時間5.4℃-0.1℃2.7℃-2.7℃
酒田375 cm37 cm39.9 時間5.4℃1.5℃4.1℃-1.3℃
青森774 cm114 cm56.7 時間5.8℃-1.4℃1.5℃-4.3℃
新庄878 cm126 cm43.1 時間5.8℃-1.3℃1.4℃-4.4℃
山形491 cm50 cm89.6 時間6.6℃-0.5℃3.0℃-3.6℃
若松537 cm58 cm80.9 時間6.4℃-0.7℃2.6℃-3.8℃
むつ564 cm70 cm77.0 時間6.8℃-1.6℃1.4℃-5.4℃
盛岡351 cm36 cm124.0 時間7.6℃-2.1℃1.7℃-5.9℃
福島235 cm26 cm136.6 時間7.3℃1.4℃5.4℃-2.1℃
白河173 cm21 cm160.9 時間8.6℃0.2℃4.6℃-4.0℃
八戸318 cm33 cm134.5 時間7.0℃-1.2℃2.5℃-4.5℃
宮古186 cm32 cm163.6 時間8.8℃0.2℃4.8℃-4.0℃
大船渡77 cm13 cm148.6 時間7.3℃0.7℃4.4℃-2.9℃
石巻56 cm17 cm167.6 時間7.2℃0.5℃4.4℃-2.8℃
仙台90 cm17 cm151.3 時間7.2℃1.5℃5.2℃-2.0℃
小名浜14 cm6 cm189.6 時間9.1℃3.6℃8.2℃-0.9℃
東京13 cm7 cm180.5 時間11.9℃5.8℃9.8℃2.1℃
日本海沿岸、奥羽山脈西側、奥羽山脈東側、太平洋沿岸 の4グループに色分けしてある。※降雪量累計： ⇒気象庁の統計データでいう「降雪の深さ合計」のこと。日ごとの降雪量を、シーズン全体で合計した量（平年値）※最深積雪：一度に降る最も多い積雪量（平年値）※日隔差：1月の平均最高気温と平均最低気温の差。1日の寒暖の差（平年値）
主な都市の夏 （8月 の平年値）
都市平均気温最高気温最低気温日隔差日照時間降水量