Địa hình Thanh Hóa nghiêng từ tây bắc xuống đông nam. Ở phía tây bắc, những đồi núi cao trên 1.000 m đến 1.500 m thoải dần, kéo dài và mở rộng về phía đông nam. Đồi núi chiếm 3/4 diện tích của cả tỉnh, tạo tiềm năng lớn về kinh tế lâm nghiệp, dồi dào lâm sản, tài nguyên phong phú. Dựa vào địa hình có thể chia Thanh Hóa ra làm các vùng miền.

Miền núi, trung du: Miền núi và đồi trung du chiếm phần lớn diện tích của Thanh Hóa. Riêng miền đồi trung du chiếm một diện tích hẹp và bị xé lẻ, không liên tục, không rõ nét như ở Bắc Bộ. Do đó nhiều nhà nghiên cứu đã không tách miền đồi trung du của Thanh Hóa thành một bộ phận địa hình riêng biệt mà coi các đồi núi thấp là một phần không tách rời của miền núi nói chung.

Miền đồi núi chiếm 2/3 diện tích Thanh Hóa, nó được chia làm 3 bộ phận khác nhau bao gồm 11 huyện: Như Xuân, Như Thanh, Thường Xuân, Lang Chánh, Bá Thước, Quan Hóa, Quan Sơn, Mường Lát, Cẩm Thủy, Thạch Thành và Ngọc Lặc. Vùng đồi núi phía tây có khí hậu mát, lượng mưa lớn nên có nguồn lâm sản dồi dào, lại có tiềm năng thủy điện lớn, trong đó sông Chu và các phụ lưu có nhiều điều kiện thuận lợi để xây dựng các nhà máy thủy điện. Miền đồi núi phía Nam đồi núi thấp, đất màu mỡ thuận lợi trong việc phát triển cây công nghiệp, lâm nghiệp, cây đặc sản và có Vườn quốc gia Bến En (thuộc địa bàn huyện Như Thanh và huyện Như Xuân), có rừng phát triển tốt, với nhiều gỗ quý, thú quý.

Vùng đồng bằng của Thanh Hóa lớn nhất của miền Trung và thứ ba của cả nước. Đồng bằng Thanh Hóa có đầy đủ tính chất của một đồng bằng châu thổ, do phù sa các hệ thống sông Mã, sông Yên, sông Hoạt bồi đắp. Điểm đồng bằng thấp nhất so với mực nước biển là 1 m.

Vùng ven biển: Các huyện từ Nga Sơn, Hậu Lộc, Hoằng Hóa, Sầm Sơn, Quảng Xương đến Tĩnh Gia, chạy dọc theo bờ biển gồm vùng sình lầy ở Nga Sơn và các cửa sông Hoạt, sông Mã, sông Yên và sông Bạng. Bờ biển dài, tương đối bằng phẳng, có bãi tắm nổi tiếng Sầm Sơn, có những vùng đất đai rộng lớn thuận lợi cho việc lấn biển, nuôi trồng thủy sản, phân bố các khu dịch vụ, khu công nghiệp, phát triển kinh tế biển (ở Nga Sơn, Nam Sầm Sơn, Nghi Sơn).

Thanh Hóa có 296 mỏ và điểm khoáng sản với 42 loại khoáng sản khác nhau: đá granit và marble, đá vôi làm xi măng, sét làm xi măng, crôm, quặng sắt, secpentin, đôlômit, ngoài ra còn có vàng sa khoáng và các loại khoáng sản khác. Tổng trữ lượng nước ngọt bề mặt của Thanh Hóa khoảng 19,52 tỷ m³ hàng năm