一、地貌
山西地貌整體上是一處被黃土廣泛覆蓋的山地型高原，通稱「山西高原」。境內起伏不平，有平原、丘陵和山地等多種地貌。其中山地佔全省總面積的35.7％，丘陵佔44.6％，平原僅佔19.7％。全省大部分地區海拔在1000米以上，地表破碎，地形複雜，起伏懸殊，與其東側海拔不足100米的華北平原形成明顯對照，呈現強烈的隆起態勢。全省最高點為五臺山北臺頂葉鬥峰，海拔3061米，也是華北地區最高點；最低點在垣曲縣西陽河入黃河處，海拔僅180米。
山西的地貌構成主體輪廓呈凹字型，中部從北到南以古湖盆與古河道相連接，是一個人口集中，交通發達，經濟社會比較發達的斷陷盆地地帶，包括大同、忻定、太原、臨汾、運城盆地，大致呈北東—南西方向雁行排列。在中部盆地帶的兩翼，東有莽莽太行山脈，西有漫漫呂梁山系。全省最著名的人文旅遊資源95％以上都集中分布在省境中部的串狀盆地之內，並多以當地主要城市為中心形成聚落狀態。
二、氣候
山西境內的氣候，除了受緯度帶的影響外，還受到地形的影響，形成複雜多變的氣候。從緯度帶來看，山西屬中國北暖溫帶到溫帶的過渡地帶；從經度來看，屬大陸東岸溫帶季風氣候區。這種過渡性的氣候帶，本身就比較複雜，再加上山嶺的阻隔，使南北、東西氣候呈現顯著的差異。
南北兩個氣候帶，以恆山、內長城為界。恆山以北屬溫帶季風型大陸氣候，以南為暖溫帶季風型大陸性氣候。而且從地形上看，由南向北海拔高度逐漸增高，南部的運城盆地海拔200～300米，北部的大同盆地，海拔1000米左右，更使得南北溫差增大，在北部出現了一些高寒地區，南部出現了一些暖溼區域。山西省避暑型氣溫分布區十分廣闊，大多與本省海拔1600米以上山地分布區相重疊。
東西方向不像南北氣候差異明顯，但以大同、運城盆地為界，東西也存在著兩個不同的氣候帶。呂梁山北部和晉西高原與太行山南部和晉東南高原相比較，前者比較寒冷，後者比較溫暖。
全境四季變化總體是冬春兩季較長，寒冷乾燥；夏秋兩季較短促，溫熱多雨。但由於地形高低起伏較大，各地的情況又很複雜，全境降雨不均勻。
山西境內多山，導致氣候的垂直變化顯著。五臺山及呂梁山脈的一些高峰頂部終年積雪，而五臺山腳下忻定盆地、呂梁山東部的晉中、臨汾等盆地的冬季卻比較短促。
夏季是全境雨量較為集中的時期，但由於山嶺的阻隔，往往形成東南雨水充足，西北乾旱的狀況。冬季全境有多次降雪過程，但西北與東南的降雪往往很不均勻。
山西冬季盛行北風和西北風，夏季多南風和東南風，春季4～5月和秋季9月是季風轉型期。大約半數的風發生在春季，夏季的平均風速雖小，但雷雨之際常伴有短暫大風。
三、陸地形勢
山西的山地丘陵面積約佔其總面積的80％以上，東部和東南部為中低山盤結，由北往南主要有恆山、五臺山、繫舟山、太行山、太嶽山(又名霍山)和中條山等。西側自北向南分布有採涼山、洪濤山、管涔山、呂梁山、雲中山、關帝山等一系列山地。山西的大部分山系呈北東—南西走向，而且許多山系中山峰的高度都在1500～2500米之間，多屬中山類型，十分適宜於人類閒暇時攀登遊覽。
山西山地中2000米以上的山峰約有30餘座，其中有五臺山的五個臺頂、關帝山的孝文峰、蘆芽山的太子殿與荷葉坪、管涔山的林溪山、石膏山的牛角鞍、歷山的舜王坪、霍山的中鎮峰和太行山的北天池山、五嶽中北嶽恆山的天峰嶺等古老的名山。
有傳統歷史文化色彩和宗教色彩的中小型名山星羅棋布，如五嶽名山之一的北嶽恆山，四大佛教名山之一的文殊菩薩道場五臺山，五大鎮山中的中鎮霍山和道家名山五老峰、北武當山等。
四、水文
山西是眾多河流的搖籃，著名的有從晉陝交界與晉豫交界處流經而過的中華民族的母親河——黃河，黃河流經山西西、南省境，境內長1008公裡，流經忻州、呂梁、臨汾、運城4市19縣。此外，還有汾河、涑水河、朱家川河、三川河、昕水河、丹河、沁河和桑乾河、滹沱河、漳河等10條大的河流，前七條歸屬黃河水系，後三條歸屬海河水系。這些河流大多源於高山峽谷中的泉流與雨季的山洪，有明顯的漲水期和枯水期，水流量極不穩定。水量較穩定、流域面積最大的是汾河，其次是桑乾河、滹沱河、漳河和涑水河。
山西的河源產生之後，大多自高而下分別向東西兩翼的華北平原和黃河谷地奔流而去，在山西山地中形成許多斷崖和峽谷，其中太行山系與王屋、中條山系的峽谷群落尤其壯觀，壺口和娘子關兩處的瀑布作為自然名勝享譽中外。
山西境內湖泊極少，現存有名的寧武天池是在桑乾河與汾河分水嶺地段上的一個高山湖泊群，運城鹽池是中國最古老的鹽湖之一、國內外罕有的產鹽寶池。
在晉東北和晉西南還有一些溫泉出露點，水溫和水質多數適宜於旅遊度假，並有醫療保健作用。
五、植物
山西植物種類繁多複雜，高等植物有160多科，3000多種，如栓皮櫟、檀椽、油松、黃薔薇、紅酸刺、連翹、白羊草、虎榛子、胡枝子、豹子花等。山西南部、東南部是以次生落葉灌木叢和落葉闊葉林為主的夏綠闊葉混交林地區；中部以中旱生的落葉灌木叢和針葉林為主；北部和西部是暖溫帶及溫帶灌木叢和半乾旱草原。
山西的森林面積為221.11萬公頃，森林覆蓋率達到14.12%。山西的天然次生林，主要分布在東西兩大山脈的河流上遊、山脊兩側，西山自鄉寧、吉縣開始，沿呂梁山脊蜿蜒北上直達五寨縣，主要集中在蒲縣、中陽、方山、交城、寧武、五寨等縣。主要樹種，南部以櫟類、楊、樺闊葉雜木為主，夾有少量油松、側柏、白皮松；往北至關帝山是華北落葉松、油松為主的針葉混交林；再往北到管涔山是青稈、白稈、華北落葉松針葉林。東山從平陸、垣曲縣開始，中條山是櫟類、鵝耳櫪、山楊、白樺闊葉灌木林，到太嶽、太行山是油松、山楊、白樺、櫟類針葉闊葉混交林，往北過渡到五臺山、恆山，為華北落葉松、青稈為主的針葉林區。
山西現有五臺山、管涔山、關帝山、太嶽、中條、呂梁、黑茶山、太行山八大林區，其中大部分已被列為國家森林公園與自然保護區。另外，山西省的可避暑地域資源均為森林覆蓋率較好的山地，多與自然生態旅遊資源區域相疊。高山草甸屬稀有自然景觀，多分布在海拔2300米以上的高山主峰地區，在山西境內單元面積在15平方公裡以上，可為旅遊業利用者接近10處。
山西省野生植物資源種類多，藥用植物以黨參、黃芪、山萸、豬苓為最著名，還有可供園林綠化的野生植物500多種，如唐棣、繡線菊、蘭花棘豆、山罌粟等。
六、動物
山西野生動物資源種類較多，全省有陸棲類脊椎動物405種，佔全國總數的19．1％左右，其中獸類74種，鳥類299種，兩棲爬行類32種。但多數種屬的個體數量很少，分布範圍狹窄，只有87種分布廣泛。珍稀的野生動物單體數量較少，瀕危物種較多，野生動物資源保護的問題十分突出。目前，山西省已建立了以保護珍稀動物褐馬雞（1984年山西省政府將褐馬雞定為省鳥)為主的三個自然保護區：蘆芽山自然保護區、龐泉溝自然保護區和五鹿山自然保護區。另外，還有歷山、蟒河、五臺山、恆山和老頂山自然保護區。
山西的毛皮獸約20餘種，主要有野兔、狐、黃鼬、狗獾、豬獾、艾虎、青鼬、花面狸、狼、豹、貓等。山禽、野味也有一定的產量，可供肉食的野生畜獸主要有野兔、野豬、環頸雉、石雞、斑翅山鶉、巖鴿等。另外有藥用價值的脊椎動物約70多種，較貴重的有金錢豹、梅花鹿、麝、鼯鼠及各種蝙蝠、刺蝟等。
七、礦產資源
山西的山川地貌結構豐富多彩，而且其地質結構同樣絢麗多姿，有花崗巖的北武當山和蘆芽山，紅色砂巖的黃崖洞和王莽嶺、錫崖溝，石灰巖的蟒河山水、歷山溶洞群、姑射山等。新生代雁北玄武巖多次噴發形成的大同火山錐群更是珍稀自然景觀，它附近山體的巖石堅硬牢固，能夠精雕細刻。從北魏開始，在大同武周山，依山開鑿了中國三大石窟之一的雲岡石窟，綿延1000多米，至今基本保存完整。
山西是一山地型高原，山地中地質結構複雜，地層較為齊全，成礦地質條件優越。在世界上已知的150多種有用礦石中，山西就有120餘種，探明儲量居全國前10位的有34種。鋁土、耐火黏土、鐵礬土、珍珠巖、鎵、沸石等的儲量居全國首位，金紅石、鎂鹽、芒硝的儲量居全國第二位，鉀長石儲量位列第三，鈦、鐵、熔劑石灰石的儲量居於第四，長石、石膏、鈷、銅、金的儲量也在全國名列前茅。
煤的預測儲量佔全國預測總儲量的37.7%，有大同、寧武、西山、霍西、沁水、河東六大煤田，煤炭是山西第一大支柱產業。
運城鹽池是中國無機鹽化工基地，歷代有「貢鹽」、「御鹽」之稱，生產的巖鹽、芒硝及白鈉鎂釩聞名全國。