ภาคตะวันออกเฉียงเหนือครอบคลุมพื้นที่ 160,000 ตารางกิโลเมตร มีขนาดเท่ากับครึ่งหนึ่งของประเทศเยอรมนี ภาคตะวันออกเฉียงเหนือตั้งอยู่บนแอ่งโคราชและแอ่งสกลนคร โดยลาดเอียงมาจากทิวเขาเพชรบูรณ์ทางทิศตะวันตกของภูมิภาค ลงไปยังแม่น้ำโขง ซึ่งกั้นประเทศลาวทางทิศเหนือและตะวันออกของภูมิภาค และทิศใต้กั้นประเทศกัมพูชาด้วยทิวเขาพนมดงรัก แอ่งโคราชจะอยู่ในภาคตะวันออกเฉียงเหนือตอนล่าง มีแม่น้ำสายหลัก คือ แม่น้ำมูล และแม่น้ำชี ทิศเหนือของแอ่งโคราชจะจรดแอ่งสกลนครโดยมีเทือกเขาภูพานกั้นไว้ แอ่งสกลนครมีแม่น้ำสายหลัก คือ แม่น้ำเลย และแม่น้ำสงคราม ดินในภาคตะวันออกเฉียงเหนือส่วนใหญ่เป็นทราย ประกอบกับแหล่งสะสมเกลือเป็นจำนวนมาก

ภูมิประเทศของภาคตะวันออกเฉียงเหนือเป็นที่ราบ บางส่วนเป็นภูเขา โดยเฉพาะบริเวณตอนกลางของภูมิภาค เช่น จังหวัดกาฬสินธุ์ จังหวัดขอนแก่น จังหวัดชัยภูมิ จังหวัดนครพนม จังหวัดนครราชสีมา และจังหวัดบึงกาฬ โดยมีจุดสูงสุดของภาคตะวันออกเฉียงเหนืออยู่ที่ ยอดภูหลวง 1,835 เมตร เหนือระดับทะเลปานกลาง ตั้งอยู่ในเขตรักษาพันธุ์สัตว์ป่าภูหลวง (จังหวัดเลย)

ลำน้ำสาขาหลักของแม่น้ำโขงในประเทศไทย ได้แก่ แม่น้ำมูล และแม่น้ำชี แม่น้ำมูลไหลมาจากอุทยานแห่งชาติเขาใหญ่ในจังหวัดนครราชสีมา และไหลไปทางทิศตะวันออก บรรจบกับแม่น้ำโขงในจังหวัดอุบลราชธานี แม่น้ำอีกสายหนึ่ง คือ แม่น้ำชี ซึ่งไหลผ่านตอนกลางของภาคตะวันออกเฉียงเหนือ ก่อนที่จะไหลไปทางใต้เพื่อบรรจบกับแม่น้ำมูลในจังหวัดศรีสะเกษ แม่น้ำเลย และแม่น้ำสงคราม ก็เป็นลำน้ำสาขาของแม่น้ำโขงเช่นเดียวกัน โดยแม่น้ำเลยไหลไปทางทิศเหนือผ่านจังหวัดเลย และแม่น้ำสงครามไหลไปทางตะวันออกผ่านจังหวัดอุดรธานี จังหวัดสกลนคร จังหวัดนครพนม และจังหวัดหนองคาย

ช่วงอุณหภูมิเฉลี่ยของภาคตะวันออกเฉียงเหนือคือ ตั้งแต่ 30.2 องศาเซลเซียส ถึง 19.6 องศาเซลเซียส อุณหภูมิสูงสุดที่บันทึกไว้ คือ 43.9 องศาเซลเซียส ในจังหวัดอุดรธานี อุณหภูมิต่ำสุด คือ -1.4 องศาเซลเซียส ในจังหวัดสกลนคร[ต้องการอ้างอิง]