1．地质与地貌黄土高原在构造上可以六盘山为界，分为两部分。东部为鄂尔多斯台地，西部属祁连山褶皱带。位于吕梁山至六盘山之间的鄂尔多斯台地，从中寒武世到中奥陶世，是一个沉降区，长期受到海水的淹没，沉积了巨厚的海相沉积物。晚奥陶世时，地壳上升，直至中石炭世开始，再行下降，造成海陆相交的石炭二叠纪地层，其中含有数层煤层。到三叠纪后期，在潮湿的气候和低下的地形条件下，陆地上生长着茂密的森林，低下的地方分布有湖泊，滋生着淡水动物。因此，在三叠纪后期的地层中，夹有含油层和油页岩层，成为鄂尔多斯台地上最重要的矿产。
黄土高原古地形的基本轮廓是在白垩纪燕山运动后形成的。高原上的主要山脉太行山、吕梁山和六盘山把高原分割成3部分。（1）山西高原。吕梁山以东至太行山西麓，有许多褶皱断块山岭和断陷盆地，主峰海拔均超过2 000米，山地下部多为黄土覆盖。（2）陕甘黄土高原。吕梁山和六盘山之间黄土连续分布，厚度很大，其堆积顶面海拔一般在1 000～1 300米，是我国黄土自然地理特征最典型的地区。（3）陇西高原。六盘山以西，高原海拔约2 000米，黄土厚度逐渐增大，成为波状起伏的岭谷。黄土高原上还有许多地貌迥然有别的塬、梁、峁等高原沟间地，以及为数众多的大小沟谷。
2．气候与水文黄土高原暖温带半湿润至半干旱气候的主要特征是冬季寒冷干燥，夏季温暖湿润；雨量稀少，变率大；日光充足，日照时数多，热量条件较优越（见下表）。
| 内容 | 数据 | 备注 |
| 年均温变化范围 | 8～14°C | |
| 日均温≥10°C的活动积温 | 2000～3000°C | |
| 无霜期 | 120～200天 | |
| 年降水量 | 200～700 mm | 65%以上集中在7～9月，而且降水强度大，多暴雨和冰雹。 |
黄土高原的水系以黄河为骨干。发源于黄土高原的河流较多，约有200条，较大的有洮河、祖厉河、清水河、黄甫川、窟野河、无定河、北洛河、渭河、沁河、汾河等，河川径流不丰。大多数河流汛期受暴雨影响，洪峰急涨猛落，汛期水量占全年水量的70%～80%以上。
3．土壤和植被高原土层富含碳酸钙和磷、钾、硼、锰等元素，土壤反应多偏碱性，腐殖质和氮素养分贫乏。黄土高原因长期滥垦滥伐，土地利用不合理，自然植被残留较少，分布零散。植被由东南向西北为森林草原、干草原和荒漠草原。森林主要分布于吕梁山、子午岭、六盘山等地，为落叶阔叶林及少量针阔混交林。在沟谷和荒坡上，草本植物多为旱生种类。高原农业垦殖条件最好的地区，如关中盆地、晋中、晋南盆地等，是我国著名的小麦和棉花产地。陕北、甘肃和晋西北条件差，一般仅能种植耐干寒的莜麦、荞麦、糜子、胡麻、薯类等。