Hà Tĩnh trải dài từ 17°54’ đến 18°37’ vĩ Bắc và từ 106°30’ đến 105°07’ kinh Đông. Phía Bắc giáp tỉnh Nghệ An, phía Nam giáp tỉnh Quảng Bình, phía Tây giáp hai tỉnh Borikhamxay và Khammuane của Lào, phía Đông giáp Biển Đông.

Hà Tĩnh nằm cách thủ đô Hà Nội 340 km về phía Nam, ở phía đông dãy Trường Sơn với địa hình hẹp, dốc và nghiêng từ tây sang đông, độ dốc trung bình 1,2%, có nơi 1,8%. Lãnh thổ chạy dài theo hướng Tây Bắc – Đông Nam và bị chia cắt mạnh bởi các sông suối nhỏ của dãy Trường Sơn với nhiều dạng địa hình chuyển tiếp, xen kẽ lẫn nhau. Sường Đông của dãy Trường Sơn nằm ở phía tây, có độ cao trung bình 1500 mét, đỉnh Rào Cọ 2.235 mét, phía dưới là vùng đồi thấp giống bát úp, tiếp nữa là dải đồng bằng nhỏ hẹp chạy ra biển có độ cao trung bình 5 mét và sau cùng là dãy cát ven biển bị nhiều cửa lạch chia cắt. Địa hình tỉnh Hà Tĩnh với nhiều núi cao nằm ở phía Đông của dãy Trường Sơn, địa hình dốc bị chia cắt mạnh, tạo nên thành những thung lũng nhỏ hẹp chạy dọc theo các triền sông lớn của hệ thống sông Ngàn Phố, Ngàn Sâu và Rào Trổ.

Hà Tĩnh nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa nóng ẩm, mưa nhiều. Ngoài ra, Hà Tĩnh còn chịu ảnh hưởng của khí hậu chuyển tiếp giữa miền Bắc và miền Nam, với đặc trưng khí hậu nhiệt đới điển hình của miền Nam và có một mùa đong giá lạnh của miền Bắc, nên thời tiết, khí hậu rất khắc nghiệt.