Thanh Hoá có địa hình đa dạng, thấp dần từ Tây sang Đông, chia làm 3 vùng rõ rệt: 
         - Vùng núi và Trung du có diện tích đất tự nhiên 839.037 ha, chiếm 75,44% diện tích toàn tỉnh,độ cao trung bình vùng núi từ 600 -700m, độ dốc trên 25o; vùng trung du có độ cao trung bình 150 - 200m, độ dốc  từ 15 -20o . 
         - Vùng đồng bằng có diện tích đất tự nhiên là 162.341 ha, chiếm 14,61% diện tích toàn tỉnh, được bồi tụ bởi các hệ thống Sông Mã, Sông Bạng, Sông Yên và Sông Hoạt. Độ cao trung bình từ 5- 15m, xen kẽ có các đồi thấp và núi đá vôi độc lập.Đồng bằng Sông Mã có diện tích lớn thứ ba sau đồng bằng Sông Cửu Long và đồng bằng Sông Hồng. 
         - Vùng ven biển có diện tích 110.655 ha, chiếm 9,95% diện tích toàn tỉnh,với bờ biển dài 102 km, địa hình tương đối bằng phẳng. Chạy dọc theo bờ biển là các cửa sông. Vùng đất cát ven biển có độ cao trung bình 3-6 m, có bãi tắm Sầm Sơn nổi tiếng và các khu nghỉ mát khác như Hải Tiến (Hoằng Hoá) và Hải Hoà (Tĩnh Gia) ...; có những vùng đất đai rộng lớn thuận lợi cho việc nuôi trồng thuỷ sản và phát triển các khu công nghiệp, dịch vụ kinh tế biển.

. Tài nguyên đất: 
         Thanh Hoá có diện tích tự nhiên 1.112.033 ha, trong đó đất sản xuất nông nghiệp 245.367 ha; đất sản xuất lâm nghiệp 553.999 ha; đất nuôi trồng thuỷ sản 10.157 ha; đất chưa sử dụng 153.520 ha với các nhóm đất thích hợp cho phát triển cây lương thực, cây lâm nghiệp, cây công nghiệp và cây ăn quả.
2. Tài nguyên rừng: 
         Thanh Hoá là một trong những tỉnh có tài nguyên rừng lớn với diện tích đất có rừng là 484.246 ha, trữ lượng khoảng 16,64 triệu m3 gỗ, hàng năm có thể khai thác 50.000 - 60.000 m3. Rừng Thanh Hoá chủ yếu là rừng cây lá rộng, có hệ thực vật phong phú đa dạng về họ, loài; có các loại gỗ quý hiếm như: lát, pơ mu, sa mu, lim xanh, táu, sến, vàng tâm, dổi, de, chò chỉ. Các loại thuộc họ tre nứa gồm có: luồng, nứa, vầu, giang, tre. Ngoài ra còn có: mây, song, dược liệu, quế, cánh kiến đỏ … Các loại rừng trồng có luồng, thông nhựa, mỡ, bạch đàn, phi lao, quế, cao su. Thanh Hoá là tỉnh có diện tích luồng lớn nhất trong cả nước với diện tích trên 50.000 ha . 
         Rừng Thanh Hoá cũng là nơi quần tụ và sinh sống của nhiều loài động vật như: hươu, nai, hoẵng, vượn, khỉ, lợn rừng, các loài bò sát và các loài chim … Đặc biệt ở vùng Tây nam của tỉnh có rừng quốc gia Bến En, vùng Tây Bắc có các khu bảo tồn thiên nhiên Pù Hu, Pù Luông, Xuân Liên, là những khu rừng đặc dụng, nơi tồn trữ và bảo vệ các nguồn gien động, thực vật quí hiếm, đồng thời là các điểm du lịch hấp dẫn đối với du khách.
3. Tài nguyên biển: 
         Thanh Hoá có 102 km bờ biển và vùng lãnh hải rộng 17.000 km2,  với những bãi cá, bãi tôm có trữ lượng lớn. Dọc bờ biển có 5 cửa lạch lớn, thuận lợi cho tàu thuyền đánh cá ra vào. Đây cũng là những trung tâm nghề cá của tỉnh. Ở vùng cửa lạch là những bãi bồi bùn cát rộng hàng ngàn ha, thuận lợi cho nuôi trồng hải sản, trồng cói, trồng cây chắn sóng và sản xuất muối. Diện tích nước mặn ở vùng biển đảo Mê, Biện Sơn có thể nuôi cá song, trai ngọc, tôm hùm và hàng chục ngàn ha nước mặn ven bờ thuận lợi cho nuôi nhuyễn thể vỏ cứng như ngao, sò … 
         Vùng biển Thanh Hoá có trữ lượng khoảng 100.000 - 120.000 tấn hải sản, với nhiều loại hải sản có giá trị kinh tế cao.
4. Tài nguyên khoáng sản: 
         Thanh Hoá là một trong số ít các tỉnh ở Việt Nam có nguồn tài nguyên khoáng sản phong phú và đa dạng; có 296 mỏ và điểm khoáng sản với 42 loại khác nhau, nhiều loại có trữ lượng lớn so với cả nước như: đá granit và marble (trữ lượng 2 -3 tỉ m3), đá vôi làm xi măng (trên 370 triệu tấn), sét làm xi măng (85 triệu tấn), crôm (khoảng 21 triệu tấn), quặng sắt (2 triệu tấn), secpentin (15 triệu tấn), đôlômit (4,7 triệu tấn), ngoài ra còn có vàng sa khoáng và các loại khoáng sản khác.
5. Tài nguyên nước: 
         Thanh Hóa có 4 hệ thống sông chính là sông Hoạt, sông Mã, sông Bạng, sông Yên với tổng chiều dài 881 km, tổng diện tích lưu vực là 39.756km2; tổng lượng nước trung bình hàng năm 19,52 tỉ m3. Sông suối Thanh Hoá chảy qua nhiều vùng địa hình phức tạp, là tiềm năng lớn cho phát triển thủy điện. Nước ngầm ở Thanh Hoá cũng rất phong phú về trữ lượng và chủng loại bởi vì có đầy đủ các loại đất đá trầm tích, biến chất, mac ma và phun trào.