Географиялық орны.  Облыс Ресейдің Калуга, Тула, Тамбов облыстарымен бір ендікте орналасқан.  Алайда, олардан табиғи жағдайымен өзгешеленеді, теңіз бен мұхиттан алшақ орналасқаннан шұғыл континентті ауа райымен сипатталады. Өзінің көршілес аумақтық жалпы тегістік меридиональдық ендігінде ашық ауа айналымына себеп болады.

Жер бедері. Облыс аумағының жартысынан артық аумағы Батыс–Сібірдің оңтүстік шетінде орналасқан, жоғары деңгей 200 метрден аспайды тың оңтүстік шетінде, Тобыл мен Ертіс өзендерінің аңғары аумақты бөлігін алып жатыр. Екі өзеннің аумағын тығыз балшықты қабаттардан түзеледі. Облыстық Солтүстік-Шығыс тұзды Калибек, Үлкенқарой, Теке, Селетытениз көлдерінің ірі, жабық жүйесімен ерекшеленеді. Ол көлдер таяз болғанымен, жүйенің тереңдігі 40-60 метр. Облыстың ең төменгі нүктесі 29 м, Теке өзенінің аумағында. Облыстың жазық бөлігі Батыс-Сібірінің платформасына сәйкес. Облыстың Оңтүстік-Батыс бөлігі (Сары-Арқаға) жатады және Солтүстік-Батыстан Көкшетау үстірті құралады. Сары-арқа – ежелгі таулы өлке, палеоза дәуірінде пайда болған. Жел қағу және денудация процесінде бет әлпетін өзгертіп, қазіргі көрініске жаңарды. Көкшетау үстіртінің аумағы негізінен магмалық және метаморфалық тау жыныстарынан түзелген.

Ауа райы және агроклиматтық ресурстары. Солтүстік Қазақстанның ең үлкен материктің ортасында орналасуы ауа райының шұғыл континенттілігін қалыптастырған, оған ұзақ қыс қатты желдері және борандар, қысқа да, ыстық жаз тән. Ең суық қаңтар айының орташа көпжылдық температурасы солтүстікте – 180С шамасында, оңтүстікте -17.60С шамасында, ал енді ең суық күндер - 450С дейін жетеді. Шілдеде температура солтүстігінде орташа -190С дейін және оңтүстігінде + 190С, ал ең ыстық күндері +41 0С дейін жетеді. Күннің жылтырау ұзақтығы 2000-нан 2150 сағатқа дейін құбылады. Радиациялық тепе-теңдігі жылына 25-30 ккал/см2 шамасында. Солтүстік Қазақстанда ауа массасының жиі ауысуы ауа райының тұрақсыздығына әкеп соғады. Солтүстіктен келетін континентті артикалық ауаның келуі қыста күрт төмендеуіне, ал жыл мезгілінің ауыспалы кезеңде, көктемдік-күздік мезгілінде қатқақтыққа әкеп соғады. Атмосфераның алмасуы ауа райының күрт өзгеруіне және жылдан жылға жауын-шашынның түсуіне себеп болады. Қыс мезгілінде ауа райының антициқлондық түрі ашық аспан және тұрақты төмен температура басым болады. Желдердің бағыты оңтүстік-батыс бағыты орташа жылдамдық 5.5 м/с шамасында.Құрғақ және салқын, қысқа көктем (20-30 күн), сәуірдің екінші жартысынан басталады. Орташа көп жылдық мерзім көктемде өтпелі температурасы 50С 20-22 сәуіріне келіп отырады, 100С – 8-10 мамырға. Күзде ауысу 100С орташа 18-20 қыркүйекке, ал 50С – 5-7 қазанға ауысып отырады. Ауаның орташа тәуліктік температурасының ұзақтық кезеңі 100С жоғары, шамамен 130-140 күн, ал 100Сауаның орташа тәуліктік сомасы 2000-22000С құрайды. Соңғы көктемгі суықтық орташа мерзімі 20 мамыр (16 сәуірден 22 маусым), күзде – 20 қыркүйек  шамасында (19 тамыздан 12 қазанға) 25 шілдеде суық болуы тіркелген (Булаева, 1997 ж.). Аязсыз кезеңнің ұзақтығы шамамен 100-120 күн жылына, ал орташа тәуліктік температурасымен 00 жоғары орташа шамамен 190 күн.

Жазғы уақытта орташа 4 м/с жылдамдығымен солтүстік және солтүстік батыс желдерімен циклонды түрдегі ауа райы басыңқы күз салқын, бұлтты, жиі жаңбырлы.Жылына атмосферамен жауын-шашын мөлшері 290-295 тен 425-235 мл.

Жауын-шашынды ең аз оңтүстік шығыс облыс аудандары алады. Ылғалмен Көкшетаудың таулы-тұзды аудандары асқақ және орманды далалары жақсы қамтамасыз етілген. Жылдың жылы ортасында (сәуір-қазан) 80-85%  максимум шілдеде (45-75 мм) ортасында (сәуір-қазан) 80-85% жылдық норма түседі. Қар жамылғысы қыстың аяғына қарай 25-30 см орташа қуатпен берік, шамамен 5 ай, қарашадан наурызға дейін жатады. Жылдың орташа жауын-шашын мөлшері айтарлықтай жылдар бойы құбылады. Мысалы, олар 164 мм-ден (1936 ж.) 619 мм-ге дейін (1905 ж.) және 594 км (1995 ж.) өзгеріп отырады.

Петропавл қаласы гидрометеорологиялық станциясы бойынша құралмен бақылау кезінде мәліметтерді қорыту соңы 50 жыл ішінде жауын-шашын мөлшерінің жылдық жоғарылатуымен климаттық жылынуын көрсетті.

Бөлек жылдары көктемгі және жазғы жаңбырсыз кезеңдер болуы мүмкін,  әсіресе өсімдік өсіруде қолайсыз жағдайлар туғызды. Жыл бойына шамамен 20 жыл ішінде 1 рет қайталанатын ең көп жаңбырсыз кезең 28 ден 36 күнге дейін ауытқыды. Жылына сәуірден қазанға  дейін атмосфералық құрғақшылық кезеңі облыс бойынша орташа күндер саны (Петропавлда 10-нан 60 күнге дейін құбылып) 40-50 күндерді құрайды.

Аймақтарды агроклиматтық аудандандыруға байланысты үш агроклиматтық облысқа жатады.

1. Әлпеттес орман далалары ландшафттарымен қамтылған ылғалдандырылу ГТК Г.К. Селянинов бойынша бейнелейтін Көкшетау биіктігінің айтарлықтай ауданы жеңіл ылғалды бір қалыпты жылы.
2. Облыстың көп бөлігі жататын  қадалы ландшафттарымен қамтылған (орман далалары және далалар) ГТК–мен 1.0 ден 0.8 тұрақты температура мөлшерлерімен 100С-ден шамасымен 2100-2200 0С.
3. Шығысын және батыс бөлігін, Есіл өзеніне дейін, оңтүстік бөлігінде ГТК –мен 0,9дан 0,7 ге тұрақты температура мөлшерлерімен 100С-ден 2200-2400 0С жоғары.

Солтүстік Қазақстан облысының минералды-шикізат базасы. Облысымызда пайдалы қазбалар табылған және әртүрлі деңгейде толығымен зерттелген. Пайдалы қазбалардың 286 көзі табылған. Оның ішінде 34-металлдық, 2-металдық емес, 217-құрылыстық-технологиялық шикізат және 33 жер асты су, олардың 6 минералды. Онда маңызды минералды шикізат қоры табылған, ол Қазақстан Республикасы балансын құрайды: қалайы -65%, қалайы- 36,6%, уран -19%, титан - 5%, вольфрам – 1,1 %. Минералды – шикізат базасын кеңейту болашағы бар, әсіресе облысымыздың оңтүстік-батысында ерекше. Мұнда пайдалы қазбалардың және алтын, күміс, техникалық және алмаз, титан, түрлі түсті, көмірдің қоры бар. Негізгі минералдық шикізат түрлерінен алынатын бағалық құн $ 6  млрд бағаланады, ал жалпы болжамды ресурстар – $10 млрд, соның ішінде уран -1,0, қалайы – 3,98, титан – 0,7, вольфрам – 0,24, алтын – 0,1, алмаз – 1,0, көмір – 0,8, басқалары – 2,7. Дайындалған қорларды игеру үшін және болашағы бар объектілерді табу үшін $ 7 млрд қажет етеді.

Игеруге біршама дайындалғандары болып Грачевское, Косачинское, Семизбайское уран көздері болып табылады. Обухов-титан-циркондік кені, Сырымбет – қалайы, Северное- Байлюсты және Домбыралы-2  алтын көздері. Экономикалық себептерге байланысты олардың өндірістік өңдеу өткізілмей отыр.

Кейбір құрылыс тастар мен құм көздері ғана пайдалануға берілген. Калибек және Жақсытұз көлдерінде ас тұзын өндіру жүргізіледі.