Mato Grosso do Sul é formado por três unidades geotectônicas distintas: a plataforma amazônica, o cinturão metamórfico Paraguai-Araguaia e a bacia sedimentar do Paraná.
Não ocorrem grandes altitudes nas duas principais formações montanhosas, as serras da Bodoquena e de Maracaju, que formam os divisores de águas das bacias do Paraguai e do Paraná. As altitudes médias do estado ficam entre 200 e 600 metros.
Na maior parte do território do estado predomina o clima do tipo tropical ou tropical de altitude, com chuvas de verão e inverno seco, caracterizado por médias termométricas que variam entre 25°C na baixada do Paraguai e 20°C no planalto.
As geadas são comuns no sul do estado registrando em média 3 ocorrências do fenômeno por ano. Observa-se o mesmo regime de chuvas de verão e inverno seco, e a pluviosidade anual é, também, de aproximadamente 1 500 milímetros.
O território estadual é drenado a leste pelos sistemas dos rios Paraná, sendo seus principais afluentes os rios Sucuriú, Verde, Pardo e Ivinhema; a oeste é drenado pelo Paraguai, cujos principais afluentes são os rios Taquari, Aquidauana e Miranda. Pelo Rio Paraguai escoam as águas da planície do Pantanal e terrenos periféricos. Na baixada, produzem-se anualmente inundações de longa duração.
Os cerrados recobrem a maior parte do estado, mas também destaca-se a Floresta Estacional Semidecidual. Há ainda a presença de pampas e Mata Atlântica.
Na planície do Pantanal, no oeste do estado, durante o período de cheias do Rio Paraguai , a região vira a maior região alagadiça do planeta, lá se combinam vegetações de todo o Brasil (até mesmo da Caatinga e da Floresta Amazônica), e é um dos biomas com maior abundância de biodiversidade do Brasil, embora seja considerada pouco rica em número de espécies.