Địa hình của tỉnh Hà Giang khá phức tạp, có nhiều ngọn núi đá cao và sông suối, có thể chia làm 3 vùng như sau:
- Vùng cao phía Bắc còn gọi là cao nguyên Đồng Văn: Gồm các huyện Quản Bạ, Yên Minh, Đồng Văn, Mèo Vạc với 90% diện tích là núi đá vôi, đặc trưng cho địa hình karst. Ở đây có những dải núi đá tai mèo sắc nhọn, những khe núi sâu và hẹp, nhiều vách núi dựng đứng. Ngày 03/10/2010 Cao Nguyên đá Đồng văn đã gia nhập mạng lưới Công viên địa chất (CVĐC) toàn cầu với tên gọi: CVĐC Cao nguyên đá Đồng Văn.
- Vùng cao phía Tây: Gồm các huyện Hoàng Su Phì, Xín Mần. Vùng này chính là một phần của cao nguyên Bắc Hà, thường được gọi là Vòm nâng sông Chảy, có độ cao từ 1.000 m đến trên 2.000 m. Địa hình nơi đây phổ biến dạng vòm hoặc nửa vòm, hình quả lê, yên ngựa xen kẽ các dạng địa hình dốc, đôi khi sắc nhọn hoặc lởm chởm dốc đứng, bị phân cắt mạnh, nhiều nếp gấp.
- Vùng núi thấp: Bao gồm địa bàn các huyện, thị còn lại, kéo dài từ Bắc Mê, thành phố Hà Giang, qua Vị Xuyên đến Bắc Quang. Khu vực này có những dải rừng già xen kẽ những thung lũng tương đối bằng phẳng nằm dọc theo sông, suối.
Nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới ẩm nhưng do địa hình cao nên khí hậu Hà Giang mang nhiều sắc thái ôn đới. Vùng cao núi đất phía Tây thuộc khối núi thượng nguồn sông chảy, sườn núi dốc, đèo cao, thung lũng và lòng suối hẹp. Vùng thấp trong tỉnh gồm vùng đồi núi, thung lũng sông Lô và thành phố Hà Giang.