山形县北有鸟海山、东有奥羽山脉，南有朝日山地、饭丰山地。每年降入山形县的雨水都集中在最上川。气候属于日本海型。从地区分布来看，庄内平原的冬天有强烈的西北风吹过，但降雪不多。然而新庄盆地却常降大雪，初夏时节时有严寒发生。内陆的山形、米泽盆地?典型的盆地型气候，夏季高温(有过40℃以上的日本全国最高记录)，冬季低温，每天的温差也十分显著。

从县的地形来说，奥羽山脉南北贯穿其东部，与此平行，县的中央部还有出羽山地，朝日山地和饭丰山地连绵起伏。流域面积占县全面积76％的最上川流过这些山地所形成的内陆盆地，经过庄内平原，注入日本海。最上川是很吸引人的观光地。此外，藏王山、舄海山、出羽三山等也是国家级观光地。因此，说山形全县都是观光地并不过分。五月雨蒙蒙，朝游最上川。传说这句诗咏的是最上川县立自然公园处的最上峡和白丝瀑布；这一带为最上川穿越出羽山地的地方，两岸崖壁耸立，春有新绿，夏季凉爽，秋有红叶，冬可观雪。

山形县的气候，冬季与夏季的差距相当明显，是一个四季分明的地方。县的内陆地区是包围在群山之间的盆地，夏天酷热，冬天则常常有暴风雪。史上日本的最高气温40.8度就是在这里观测到的。然而，面向日本海的南北约110公里，东西约40公里的平原，庄内地区则属于海洋形气候，夏季与内陆地区一样炎热，冬季策受到西伯利亚气团的影响，常常飘雪。山形县内几乎所有的市村町都有温泉，落差5米以上的瀑布也有230余处，占全国的9.2％。