Overijssel heeft Duitsland in het oosten. De Gelderse Achterhoek ligt in het zuiden, de Gelderse Veluwe en Flevoland in het westen en Friesland en de voormalige Drentse heide in het noorden. Overijssel bestaat uit drie regio's: Kop van Overijssel in het noordwesten, Salland in het centrum van de provincie en Twente in het oosten. Naast de hoofdstad Zwolle zijn de grote steden Almelo, Deventer, Enschede en Hengelo.
In het zuidoosten is het land grotendeels zanderig. Er zijn kleine rivieren en beekjes die erdoorheen snijden. Voorbeelden van zulke rivieren zijn Regge en Dinkel. In het noordwesten bestaat de geologie vooral uit sedimenten van de Overijsselse Vecht en klei. De noordelijke delen waren ooit bedekt met vennen (moerassen) die de droger en het meer akkerbouwbare zuiden van Drenthe scheidden. Deze moerassen zijn voor een groot deel als brandstof gebruikt. Vandaag de dag zijn er nog maar kleine stukjes over (Engbertsdijksvenen bij Tubbergen, Witteveen (bij Haaksbergen, en Aamsveen (bij Enschede)). Het uiterste noordwesten wordt gedomineerd door een stelsel van plassen, gevormd door de voormalige veenmijn, de Weerribben, die een waardevol waterrijk gebied is.
Het hoogste punt van Overijssel is de top van de Tankenberg, een heuvel in de gemeente Losser. Het is 89 meter. Het laagste punt ligt in de Mastenbroekpolder bij Kampen op 2 meter onder de zeespiegel.