Geologien i North Yorkshire er tett reflektert i dets landskap. Innenfor grevskapet er North York Moors og det meste av Yorkshire Dales; to av elleve bygdeområder innenfor England og Wales som er offisielt utpekt som nasjonalparker. Mellom North York Moors i øst og fjellkjeden Penninene i vest ligger Vale of Mowbray og York. Teesdalen ligger i nord for North York Moors og Vale of Pickering ligger i sør. Den østlige grense er kysten av Nordsjøen. Det høyeste punktet er Whernside ved grensen av Cumbria som er 763 meter høyt. De tre største elvene i grevskapet er elvene Swale, Ure og Tees. Swale og Ure danner elven Ourse som strømmer gjennom York og inn i utløpet av Humber. Tees danner grensen mellom North Yorkshire og Durham og flyter fra øvre Teesdale til Middlesbrough og Stockton og til kysten.