西方には吾妻山など第四紀に活動した火山がある。盆地の北から西を縁取って活断層が連なる。北から藤田断層、桑折断層、台山断層、土湯断層で、西側が高くなる逆断層である。北に宮城県まで断続的に伸びる福島盆地西縁断層帯の一部である。飯坂温泉、高湯温泉、土湯温泉といった温泉も、盆地の西縁にある。
南東の丘陵から阿武隈川が入り、盆地の北東へ抜ける。阿武隈川は南西部（福島市がある信夫盆地）では盆地の東縁を通り、北東部（伊達盆地）では盆地の中央を流れる。西から流れ込む複数の支流が、盆地に入るところでいくつも重なり合う扇状地を作る。
盆地の中央やや南、福島市の中心市街の北に、独立峰の信夫山がある。
歴史.
和歌で枕詞として詠われる「信夫（しのぶ）」は福島盆地、「文知摺（もちずり）」は福島盆地内の地名である。
平安時代末期から鎌倉時代初期には、現在の東北地方ほぼ全域が奥州藤原氏の勢力圏となり、福島盆地は現在の福島県中通り、会津、置賜地方を支配した奥州藤原氏の一族、信夫佐藤氏の本拠地となった。福島盆地北西部の飯坂にある大鳥城が佐藤氏の本城だった。源義経の忠実な家臣として有名な佐藤継信、佐藤忠信兄弟も、信夫佐藤氏の頭領で信夫庄司であった佐藤基治（佐藤元治）の子である。
源頼朝の奥州征伐では、福島盆地北端の厚樫山（あつかしやま：あるいは国見山）山麓に奥州藤原氏勢力は巨大な防塁を築き、この厚樫山山麓が奥州藤原氏と鎌倉の事実上の決戦場となった。
源頼朝の奥州征伐の後、関東武士である常陸入道念西(伊達朝宗)の一族は、佐藤基治を破った功により、福島盆地の信夫郡・伊達郡を拝領して伊達氏を名乗るようになり、以後、安土桃山時代まで伊達氏支配となる。（ただし、信夫佐藤氏は完全に滅びたわけではなく、子孫はその後伊達氏や岩城氏、相馬氏、佐竹氏等に仕えたり、伊勢に転封されたりしている）
豊臣秀吉による伊達政宗の転封により、近江武士の蒲生氏郷の支配となる。蒲生氏滅亡後、越後から上杉景勝が転封されて、江戸時代初期まで上杉氏支配となる。この上杉氏支配下で、福島盆地内の開墾整備が急速に進み（西根堰などが有名）、農業生産高を大きく飛躍させた。上杉氏の末期養子の代償によって信夫郡、伊達郡が上杉氏から召し上げとなった後は、福島盆地内にはめまぐるしく小藩や幕領が入り乱れて、明治維新を迎えた。