一、地貌
山西地貌整体上是一处被黄土广泛覆盖的山地型高原，通称“山西高原”。境内起伏不平，有平原、丘陵和山地等多种地貌。其中山地占全省总面积的35.7％，丘陵占44.6％，平原仅占19.7％。全省大部分地区海拔在米以上，地表破碎，地形复杂，起伏悬殊，与其东侧海拔不足米的华北平原形成明显对照，呈现强烈的隆起态势。全省最高点为五台山北台顶叶斗峰，海拔米，也是华北地区最高点；最低点在垣曲县西阳河入黄河处，海拔仅米。
山西的地貌构成主体轮廓呈凹字型，中部从北到南以古湖盆与古河道相连接，是一个人口集中，交通发达，经济社会比较发达的断陷盆地地带，包括大同、忻定、太原、临汾、运城盆地，大致呈北东—南西方向雁行排列。在中部盆地带的两翼，东有莽莽太行山脉，西有漫漫吕梁山系。全省最著名的人文旅游资源95％以上都集中分布在省境中部的串状盆地之内，并多以当地主要城市为中心形成聚落状态。
二、气候
山西境内的气候，除了受纬度带的影响外，还受到地形的影响，形成复杂多变的气候。从纬度带来看，山西属中国北暖温带到温带的过渡地带；从经度来看，属大陆东岸温带季风气候区。这种过渡性的气候带，本身就比较复杂，再加上山岭的阻隔，使南北、东西气候呈现显著的差异。
南北两个气候带，以恒山、内长城为界。恒山以北属温带季风型大陆气候，以南为暖温带季风型大陆性气候。而且从地形上看，由南向北海拔高度逐渐增高，南部的运城盆地海拔～米，北部的大同盆地，海拔米左右，更使得南北温差增大，在北部出现了一些高寒地区，南部出现了一些暖湿区域。山西省避暑型气温分布区十分广阔，大多与本省海拔米以上山地分布区相重叠。
东西方向不像南北气候差异明显，但以大同、运城盆地为界，东西也存在着两个不同的气候带。吕梁山北部和晋西高原与太行山南部和晋东南高原相比较，前者比较寒冷，后者比较温暖。
全境四季变化总体是冬春两季较长，寒冷干燥；夏秋两季较短促，温热多雨。但由于地形高低起伏较大，各地的情况又很复杂，全境降雨不均匀。
山西境内多山，导致气候的垂直变化显著。五台山及吕梁山脉的一些高峰顶部终年积雪，而五台山脚下忻定盆地、吕梁山东部的晋中、临汾等盆地的冬季却比较短促。
夏季是全境雨量较为集中的时期，但由于山岭的阻隔，往往形成东南雨水充足，西北干旱的状况。冬季全境有多次降雪过程，但西北与东南的降雪往往很不均匀。
山西冬季盛行北风和西北风，夏季多南风和东南风，春季4～5月和秋季9月是季风转型期。大约半数的风发生在春季，夏季的平均风速虽小，但雷雨之际常伴有短暂大风。
三、陆地形势
山西的山地丘陵面积约占其总面积的80％以上，东部和东南部为中低山盘结，由北往南主要有恒山、五台山、系舟山、太行山、太岳山(又名霍山)和中条山等。西侧自北向南分布有采凉山、洪涛山、管涔山、吕梁山、云中山、关帝山等一系列山地。山西的大部分山系呈北东—南西走向，而且许多山系中山峰的高度都在～米之间，多属中山类型，十分适宜于人类闲暇时攀登游览。
山西山地中0米以上的山峰约有30余座，其中有五台山的五个台顶、关帝山的孝文峰、芦芽山的太子殿与荷叶坪、管涔山的林溪山、石膏山的牛角鞍、历山的舜王坪、霍山的中镇峰和太行山的北天池山、五岳中北岳恒山的天峰岭等古老的名山。
有传统历史文化色彩和宗教色彩的中小型名山星罗棋布，如五岳名山之一的北岳恒山，四大佛教名山之一的文殊菩萨道场五台山，五大镇山中的中镇霍山和道家名山五老峰、北武当山等。
四、水文
山西是众多河流的摇篮，著名的有从晋陕交界与晋豫交界处流经而过的中华民族的母亲河——黄河，黄河流经山西西、南省境，境内长8公里，流经忻州、吕梁、临汾、运城4市19县。此外，还有汾河、涑水河、朱家川河、三川河、昕水河、丹河、沁河和桑干河、滹沱河、漳河等10条大的河流，前七条归属黄河水系，后三条归属海河水系。这些河流大多源于高山峡谷中的泉流与雨季的山洪，有明显的涨水期和枯水期，水流量极不稳定。水量较稳定、流域面积最大的是汾河，其次是桑干河、滹沱河、漳河和涑水河。
山西的河源产生之后，大多自高而下分别向东西两翼的华北平原和黄河谷地奔流而去，在山西山地中形成许多断崖和峡谷，其中太行山系与王屋、中条山系的峡谷群落尤其壮观，壶口和娘子关两处的瀑布作为自然名胜享誉中外。
山西境内湖泊极少，现存有名的宁武天池是在桑干河与汾河分水岭地段上的一个高山湖泊群，运城盐池是中国最古老的盐湖之一、国内外罕有的产盐宝池。
在晋东北和晋西南还有一些温泉出露点，水温和水质多数适宜于旅游度假，并有医疗保健作用。
五、植物
山西植物种类繁多复杂，高等植物有多科，0多种，如栓皮栎、檀椽、油松、黄蔷薇、红酸刺、连翘、白羊草、虎榛子、胡枝子、豹子花等。山西南部、东南部是以次生落叶灌木丛和落叶阔叶林为主的夏绿阔叶混交林地区；中部以中旱生的落叶灌木丛和针叶林为主；北部和西部是暖温带及温带灌木丛和半干旱草原。
山西的森林面积为.11万公顷，森林覆盖率达到14.12%。山西的天然次生林，主要分布在东西两大山脉的河流上游、山脊两侧，西山自乡宁、吉县开始，沿吕梁山脊蜿蜒北上直达五寨县，主要集中在蒲县、中阳、方山、交城、宁武、五寨等县。主要树种，南部以栎类、杨、桦阔叶杂木为主，夹有少量油松、侧柏、白皮松；往北至关帝山是华北落叶松、油松为主的针叶混交林；再往北到管涔山是青秆、白秆、华北落叶松针叶林。东山从平陆、垣曲县开始，中条山是栎类、鹅耳枥、山杨、白桦阔叶灌木林，到太岳、太行山是油松、山杨、白桦、栎类针叶阔叶混交林，往北过渡到五台山、恒山，为华北落叶松、青秆为主的针叶林区。
山西现有五台山、管涔山、关帝山、太岳、中条、吕梁、黑茶山、太行山八大林区，其中大部分已被列为国家森林公园与自然保护区。另外，山西省的可避暑地域资源均为森林覆盖率较好的山地，多与自然生态旅游资源区域相叠。高山草甸属稀有自然景观，多分布在海拔2米以上的高山主峰地区，在山西境内单元面积在15平方公里以上，可为旅游业利用者接近10处。
山西省野生植物资源种类多，药用植物以*参、黄芪、山萸、猪苓为最著名，还有可供园林绿化的野生植物多种，如唐棣、绣线菊、兰花棘豆、山罂粟等。
六、动物
山西野生动物资源种类较多，全省有陆栖类脊椎动物种，占全国总数的19．1％左右，其中兽类74种，鸟类种，两栖爬行类32种。但多数种属的个体数量很少，分布范围狭窄，只有87种分布广泛。珍稀的野生动物单体数量较少，濒危物种较多，野生动物资源保护的问题十分突出。目前，山西省已建立了以保护珍稀动物褐马鸡（年山西省政府将褐马鸡定为省鸟)为主的三个自然保护区：芦芽山自然保护区、庞泉沟自然保护区和五鹿山自然保护区。另外，还有历山、蟒河、五台山、恒山和老顶山自然保护区。
山西的毛皮兽约20余种，主要有野兔、狐、黄鼬、狗獾、猪獾、艾虎、青鼬、花面狸、狼、豹、猫等。山禽、野味也有一定的产量，可供肉食的野生畜兽主要有野兔、野猪、环颈雉、石鸡、斑翅山鹑、岩鸽等。另外有药用价值的脊椎动物约70多种，较贵重的有金钱豹、梅花鹿、麝、鼯鼠及各种蝙蝠、刺猬等。
七、矿产资源
山西的山川地貌结构丰富多彩，而且其地质结构同样绚丽多姿，有花岗岩的北武当山和芦芽山，红色砂岩的黄崖洞和王莽岭、锡崖沟，石灰岩的蟒河山水、历山溶洞群、姑射山等。新生代雁北玄武岩多次喷发形成的大同火山锥群更是珍稀自然景观，它附近山体的岩石坚硬牢固，能够精雕细刻。从北魏开始，在大同武周山，依山开凿了中国三大石窟之一的云冈石窟，绵延多米，至今基本保存完整。
山西是一山地型高原，山地中地质结构复杂，地层较为齐全，成矿地质条件优越。在世界上已知的多种有用矿石中，山西就有余种，探明储量居全国前10位的有34种。铝土、耐火黏土、铁矾土、珍珠岩、镓、沸石等的储量居全国首位，金红石、镁盐、芒硝的储量居全国第二位，钾长石储量位列第三，钛、铁、熔剂石灰石的储量居于第四，长石、石膏、钴、铜、金的储量也在全国名列前茅。
煤的预测储量占全国预测总储量的37.7%，有大同、宁武、西山、霍西、沁水、河东六大煤田，煤炭是山西第一大支柱产业。
运城盐池是中国无机盐化工基地，历代有“贡盐”、“御盐”之称，生产的岩盐、芒硝及白钠镁钒闻名全国。