Thỏi Nguyên có nhiều dãy núi cao chạy theo hướng bắc-nam và thấp dần xuống phía nam. Cấu trúc vùng núi phía Bắc chủ yếu là đa phong hóa mạnh, tạo thành nhiều hang động và thung lũng nhỏ. Phía bắc Thỏi Nguyờn gồm rừng núi và đồng lầy. Về phía đông có những dãy núi cao nằm giữa những ngọn núi đá vôi ở phố Bình Gia. Về phía đông bắc, có cao nguyên Vũ Phái được giới hạn bởi những dãy núi đá vôi và có khu rừng núi ngăn chia Lâu Thượng và Lâu Hạ ở phương Nam. Phía tây bắc Thỏi Nguyờn cú thung lũng Chợ Chu bao gồm nhiều cánh đồng và những thung lũng nhỏ. Giữa Đồn Đủ và Cổ Lương là một cánh đồng giáp với cao nguyên Trúc Thanh và Độ Tranh gồm nhiều đồi núi lan tới tận khu đồng lầy Phúc Linh. Phía tây nam cú dóy Tam Đảo dọc theo cao nguyên Văn Lang và cánh đồng Đại Từ. Tam Đảo có đỉnh cao nhất 1.591 m, cỏc vỏch
nỳi dựng đứng và kéo dài theo hướng tây bắc-đụng nam. Ngoài dãy núi trờn cũn
cú dóy Ngân Sơn bắt đầu từ Bắc Kạn chạy theo hướng đông bắc-tõy nam đến
Võ Nhai và dãy núi Bắc Sơn cũng chạy theo hướng tây bắc-đụng nam. Cả ba dãy núi Tam Đảo, Ngân Sơn, Bắc Sơn đều là những dãy núi cao che chắn gió mùa đụng bắc.Thỏi Nguyên là một tỉnh trung du miền núi nhưng địa hình lại không phức tạp lắm so với các tỉnh trung du, miền núi khác, đây là một thuận lợi của Thỏi Nguyờn cho canh tác nông lâm nghiệp và phát triển kinh tế - xã hội nói chung so với các tỉnh trung du miền núi khác [8].