Thái Nguyên có nhiều dẫy núi cao chạy theo hướng Bắc Nam, thấp dần xuống phía nam và chấm dứt ở đèo Khế. Cấu trúc ở vùng núi phía Bắc chủ yếu là đá phong hoá mạnh tạo thành nhiều hang động, thung lũng nhỏ. Mặc dù là tỉnh trung du miền núi nhưng địa hình tỉnh Thái Nguyên không phức tạp so với các tỉnh khác trong vùng. Đây cũng là một trong những thuận lợi của tỉnh trong việc canh tác nông lâm nghiệp, phát triển kinh tế - xã hội mà nhiều tỉnh trung du miền núi phía bắc khác không có.
Khí hậu Thái Nguyên chia làm hai mùa rõ rệt: Mùa mưa từ tháng 5 đến tháng 10 với lượng mưa trung bình hàng năm từ 2.000 – 2.500mm. Mùa khô từ tháng 11 đến tháng 4 năm sau với nhiệt độ trung bình 21 – 220C. Riêng tháng 8 lượng mưa chiếm đến gần 30% tổng lượng mưa cả năm. Nhiệt độ chênh lệch giữa tháng nóng nhất (tháng 6: 38,90C) với tháng lạnh nhất (tháng 1: 15,20
C) là 23,70C. Tổng số giờ nắng trong năm dao động từ 1.300 đến 1.750 giờ và phân phối tương đối đều cho các tháng trong năm. Nhìn chung, khí hậu Thái Nguyên tương đối thuận lợi cho việc phát triển một hệ sinh thái đa dạng và bền vững, thuận lợi cho phát triển ngành nông-lâm nghiệp, là nguồn nguyên liệu phục vụ cho ngành công nghiệp chế biến nông-lâm sản, thực phẩm.
Với đặc điểm trên Địa hình – Khí hậu Thái Nguyên rất thuận lợi cho việc phát triển NLTT, địa hình đồi núi, độ dốc cao, lượng mưa hàng năm lớn tạo cho Tỉnh một tiềm năng lớn về thuỷ điện nhỏ.
