Địa hình tỉnh Thái Nguyên được phân hóa thành 3 khu vực chính, đặc biệt thể hiện rõ rệt vào mùa đông về sự phân hóa nhiệt độ:
Vùng lạnh nhiều: Chủ yếu nằm ở phía bắc huyện Võ Nhai. Đây là vùng có địa hình cao nhất của tỉnh, chịu ảnh hưởng mạnh của gió mùa đông bắc nên nhiệt độ xuống thấp nhất.
Vùng lạnh vừa: Bao gồm các huyện Định Hóa, Phú Lương và phía nam huyện Võ Nhai. Vùng này có địa hình thấp hơn vùng lạnh nhiều, mức độ ảnh hưởng của gió mùa đông bắc cũng giảm bớt nên nhiệt độ không quá thấp.
Vùng ấm: Gồm các huyện Đại Từ, Thành phố Thái Nguyên, Đồng Hỷ, Phú Bình, Phổ Yên và Thị xã Sông Công. Đây là vùng có địa hình thấp nhất của tỉnh, nằm ở phía nam và được che chắn bởi các dãy núi nên ít chịu ảnh hưởng của gió mùa đông bắc, nhiệt độ tương đối ấm hơn so với hai vùng trên.