Thanh Hóa là tỉnh nằm ở cực bắc của Trung Bộ Thanh Hóa , có đường biên giới với Lào và có bờ biển thuộc vịnh Bắc Bộ. Với diện tích lớn so với các tỉnh thành , địa lý Thanh Hóa khá đa dạng, mang nhiều đặc điểm của Bắc Bộ và Bắc Trung Bộ, đồng thời cũng có những nét đặc trưng riêng. Theo thiên văn cổ xưa đo đạc năm 1831 (năm Minh Mệnh 10) thì tỉnh Thanh Hóa thuộc về sao Dực và sao Chẩn, tinh thứ sao Thuần Vĩ, mức cao nhất là 19 độ 26 phân, lệch về phía tây 1 độ 40 phân. Ngày nay, theo số liệu đo đạc hiện đại của cục bản đồ thì Thanh Hóa nằm ở vĩ tuyến 19°18' Bắc đến 20°40' Bắc, kinh tuyến 104°22' Đông đến 106°05' Đông. Phía bắc và tây bắc giáp ba tỉnh: Hòa Bình, Ninh Bình, Sơn La; phía nam và tây nam giáp tỉnh Nghệ An; phía tây giáp tỉnh Hủa Phăn nước Lào với đường biên giới 192 km; phía đông Thanh Hóa mở ra phần giữa của Vịnh Bắc Bộ thuộc Biển Đông với bờ biển dài hơn 102 km. Diện tích tự nhiên của Thanh Hóa là 11.106 km², đứng thứ 5 trong cả nước, chia làm 3 vùng: đồng bằng ven biển, trung du, miền núi. Thanh Hóa có thềm lục địa rộng 18.000 km². Nghiêng từ tây bắc xuống đông nam: phía tây bắc, những đồi núi cao trên 1.000 m đến 1.500 m thoải dần, kéo dài và mở rộng về phía đông nam. Đồi núi chiếm 3/4 diện tích của cả tỉnh; tạo tiềm năng lớn về kinh tế lâm nghiệp, dồi dào lâm sản, tài nguyên phong phú. Miền núi và trung du chiếm phần lớn diện tích của Thanh Hóa bao gồm 11 huyện: Như Xuân, Như Thanh, Thường Xuân, Lang Chánh, Bá Thước, Quan Hóa, Quan Sơn, Mường Lát, Ngọc Lặc, Cẩm Thủy và Thạch Thành chiếm 2/3 diện tích của tỉnh.. Riêng miền đồi trung du chiếm một diện tích hẹp và bị xé lẻ, không liên tục, không rõ nét như ở Bắc Bộ. Do đó nhiều nhà nghiên cứu đã không tách miền đồi trung du của Thanh Hóa thành một bộ phận địa hình riêng biệt mà coi các đồi núi thấp là một phần không tách rời của miền núi nói chung. Vùng đồi thấp phía Đông đất đai màu mỡ, có quốc lộ 15 chạy từ bắc xuống nam, có quốc lộ 45, 47 và 217 nối với tỉnh lỵ Thanh Hóa. Vùng đồi núi phía tây có khí hậu mát, lượng mưa lớn nên có nguồn lâm sản dồi dào, lại có tiềm năng thủy điện lớn, trong đó sông Chu và các phụ lưu có nhiều điều kiện thuận lợi để xây dựng các nhà máy thủy điện. Các quốc lộ 45, 47, 217 nối vùng này với vùng đồi thấp phía Đông và đồng bằng. Miền đồi núi phía Nam chủ yếu là đồi núi thấp. Đất đai ở đây màu mỡ, thuận lợi trong việc phát triển cây công nghiệp, lâm nghiệp, cây đặc sản và có Vườn quốc gia Bến En (thuộc hai huyện Như Thanh và Như Xuân), có rừng phát triển tốt, với nhiều gỗ quý, thú quý. Quốc lộ 1, 15 và đường tỉnh 512 là các trục giao thông chính. Vùng đồng bằng của Thanh Hóa (đồng bằng sông Mã) là đồng bằng lớn nhất của miền Trung và thứ ba của cả nước. Đồng bằng Thanh Hóa diện tích bằng 1/2 diện tích của các đồng bằng Trung Bộ cộng lại, tức khoảng 3000 km². Vùng này bao gồm các địa phương sau: thành phố Thanh Hóa, thị xã Bỉm Sơn, các huyện Đông Sơn, Hà Trung, Nông Cống, Thiệu Hóa, Thọ Xuân, Triệu Sơn, Vĩnh Lộc và Yên Định. Đồng bằng Thanh Hóa có đầy đủ tính chất của một đồng bằng châu thổ, do phù sa các hệ thống sông Mã, sông Yên, sông Hoạt bồi đắp. Điểm đồng bằng thấp nhất so với mực nước biển là 1m. Quốc lộ 1 chạy dọc vùng đồng bằng từ bắc xuống nam. Đường sắt Bắc - Nam qua đây với các ga Bỉm Sơn, Đò Lèn, Thanh Hóa, Yên Thái, Minh Khôi và Thị Long. Gồm 6 huyện, thành phố, thị xã từ Nga Sơn, Hậu Lộc, Hoằng Hóa, Sầm Sơn, Quảng Xương đến Nghi Sơn, chạy dọc theo bờ biển gồm vùng sình lầy ở Nga Sơn và các cửa sông Hoạt, sông Mã, sông Yên và sông Lạch Bạng. Bờ biển dài, tương đối bằng phẳng, có bãi tắm nổi tiếng Sầm Sơn, có những vùng đất đai rộng lớn thuận lợi cho việc lấn biển, nuôi trồng thủy sản, phân bố các khu dịch vụ, khu công nghiệp, phát triển kinh tế biển (ở Nga Sơn, Nam Sầm Sơn, Nghi Sơn). Hai tuyến đường bộ chính ở đây là quốc lộ 10 ở các huyện phía bắc và Quốc lộ 1, quốc lộ 45, 47 ở phía nam. Đường sắt Bắc Nam đi qua phía Bắc và phía Nam vùng với bốn ga Nghĩa Trang ở Hoằng Hóa và Văn Trai, Khoa Trường, Trường Lâm ở Nghi Sơn. Tỉnh Thanh Hóa đa dạng nguồn tài nguyên nhưng nhìn chung nguồn tài nguyên có trữ lượng không lớn, và thường phân bố không tập trung nên rất khó cho việc phát triển công nghiệp khai khoáng, trong tỉnh hiện tại mới chỉ có một số nhà máy đang tiến hành khai thác nguồn tài nguyên, như: nhà máy xi măng Bỉm sơn, xi măng Nghi sơn, phân bón Hàm rồng... Đa số nguồn tài nguyên đang bị thất thoát do kiểm soát không chặt chẽ. Theo số liệu của Sở Tài nguyên và Môi trường Thanh Hóa đưa ra năm 2004 thì nguồn tài nguyên của tỉnh như sau: