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。