Fjellkjedene Østlige Sierra Madre, Sydlige Sierra Madre og den tversgående Sierra Atravesada møtes i Oaxaca, og spesielt i nordvest er det høye fjell. Midt i Oaxaca, ved hovedstaden Oaxaca by ligger Valles centrales, sentraldalene, i ca. 1500 meters høyde. Mot øst har Oaxaca del av det varme, fuktige lavlandet Istmo de Tehuantepec, det smale eidet mellom Mexico-golfen og Stillehavet som utgjør Mexicos smale «midje».