黑龙江省地貌特征为“五山一水一草三分田”。地势大致是西北、北部和东南部高，东北、西南部低，主要由山地、台地、平原和水面构成。西北部为东北—西南走向的大兴安岭山地，北部为西北—东南走向的小兴安岭山地，东南部为东北—西南走向的张广才岭、老爷岭、完达山脉。兴安山地与东部山地的山前为台地，东北部为三江平原(包括兴凯湖平原)，西部是松嫩平原。黑龙江省山地海拔高度大多在300～1 000米之间，面积约占全省总面积的58%；台地海拔高度在200～350米之间，面积约占全省总面积的14%；平原海拔高度在50～200米之间，面积约占全省总面积的28%。有黑龙江、松花江、乌苏里江、绥芬河等多条河流；有兴凯湖、镜泊湖、五大连池等众多湖泊。

黑龙江省属于寒温带与温带大陆性季风气候。全省从南向北，依温度指标可分为中温带和寒温带。从东向西，依干燥度指标可分为湿润区、半湿润区和半干旱区。全省气候的主要特征是春季低温干旱，夏季温热多雨，秋季易涝早霜，冬季寒冷漫长，无霜期短，气候地域性差异大。

黑龙江省的降水表现出明显的季风性特征。夏季受东南季风的影响，降水充沛，冬季在干冷西北风控制下，干燥少雨。

黑龙江省水系发达，河流纵横，湖泊遍布。流域在50平方千米以上的河流有1918条，其中流域在1万平方千米以上的就有18条。主要河流有：黑龙江、松花江、乌苏里江、嫩江、牡丹江、呼玛河、额木尔河、塔河等。黑龙江是一条流经中俄、蒙三国的国际河流，也是我国第三大河流，流域面积达180多万平方千米。松花江是黑龙江第一大支流。嫩江是松花江最大的支流。

黑龙江省主要湖泊有：兴凯湖、镜泊湖、五大连池、连环湖、向阳湖等。兴凯湖位于密山市东南部中俄边境上，总面积约为4380平方千米。镜泊湖位于宁安市西南，面积92.5平方千米，是我国最大的火山熔岩堰塞湖。