O Ceará é cercado por formações de relevo relativamente altas: chapadas e cuestas: a oeste é delimitado pela Serra da Ibiapaba; a leste, parcialmente; pela Chapada do Apodi; ao sul pela Chapada do Araripe; e ao Norte pelo Oceano Atlântico. Daí o nome de Depressão Sertaneja à área central.
O estado está no domínio da caatinga, com período chuvoso restrito a cerca de quatro meses do ano e alta biodiversidade adaptada. A sazonalidade característica desse bioma se reflete em uma fauna e flora adaptadas às condições semi-áridas. Consequentemente, há grande número de espécies endêmicas, sobretudo nos brejos e serras, isolados pela caatinga e refúgios da flora e fauna de matas tropicais úmidas. Na Serra de Baturité, por exemplo, 10% das espécies de aves são endêmicas. O soldadinho-do-araripe foi descoberto em 1996 na Chapada do Araripe e só é encontrado nessa região. Dentre as aves, são ainda característicos o uirapuru-laranja e a jandaia. Destacam-se, na flora cearense, a carnaúba, considerada um dos símbolos do estado e também importante fonte econômica e a zephyranthes sylvestris, flor original do habitat cearense.
O território cearense é dividido em sete bacias hidrográficas sendo a maior delas a do rio Jaguaribe. Sua bacia hidrográfica compreende mais de 50% do estado. O rio tem 610 km de extensão. Os dois maiores reservatórios de água do Ceará são barragens que represam o Jaguaribe: Açude Orós e Açude Castanhão com as respectivas capacidades de armazenamento 2,1 e 6,7 bilhões de metros cúbicos. Os afluentes mais importantes do rio Jaguaribe são os rios Salgado e Banabuiú.
As outras bacias são: do rio Acaraú com um dos maiores reservatórios do estado, o açude Araras com capacidade para um bilhão de metros cúbicos; do rio Coreaú; do rio Curu; do litoral, que drena boa parte do litoral norte oeste onde os principais rios são Aracatiaçu, Aracatimirim, Mundaú e Trairi; na região metropolitana onde os principais rios são Ceará, Cocó, Pacoti e Choró; e parte da bacia do rio Parnaíba.
A temperatura média é alta, com pequena amplitude anual de aproximadamente 5 °C, girando entre meados de 20 °C no topo das serras a até 28 °C nos sertões mais quentes. No interior, a amplitude térmica diária pode ser relativamente grande devido à menor umidade.
Em todo o estado, os dias mais frios ocorrem geralmente em junho e julho e os mais quentes, entre outubro e fevereiro. Nas áreas serranas, onde impera o clima tropical semi-úmido e, em altitudes mais elevadas, úmido, as temperaturas são mais baixas, com média de 20 °C a 25 °C, podendo ter mínimas anuais entre 12 °C e 16 °C. Surgem aí vegetações de cerradão e floresta tropical, e as pluviosidades são mais altas, superando os 1.000 mm. Essas áreas contêm mananciais que banham os sopés dessas regiões, tornando-os propícios à atividade agrícola. É nas serras e próximo a elas, assim como nas planícies aluviais, que se concentra a maior parte da população do interior cearense, com densidades superiores a 100 hab./km², por exemplo, em boa parte do Cariri cearense.