В физико-географическом отношении в округе четко выделяются Уральские горы (восточный склон) и Западная Сибирь.
Урал издавна считается границей между Европой и Азией. То сжимаясь в узкую полосу до 40–50 км, то расширяясь до 150 км, то рассыпаясь веером невысоких кряжей, Уральские горы протянулись вдоль восточной границы Русской равнины от побережья Карского моря до степей Казахстана. Горы состоят из невысоких горных цепей, протянувшихся в меридиональном направлении. Поперечные долины расчленяют эти цепи на отдельные хребты и массивы. Вдоль Уральских гор меняется высота и количество слагающих его хребтов, ширина и характер предгорий. По рельефу на Урале с севера на юг выделяется Пай-Хой, Полярный, Приполярный, Северный, Средний и Южный Урал. Горы Урала невысоки, немногие вершины его превышают 1500 м. Самая высокая вершина – гора Народная (1895 м) в Приполярном Урале. Самые низкие перевалы водораздельного хребта, расположенные в южной части Урала, имеют высоты 400–500 м. На Полярном и Приполярном Урале встречаются формы рельефа, созданные горным оледенением.
Своеобразием Уральских гор является четко выраженная асимметрия его склонов. На восток горы круто обрываются к низким предгорьям Зауралья, постепенно переходящим в плоскую Западно-Сибирскую равнину, которая занимает огромное пространство округа. Это одна из самых величайших равнин мира. Средние абсолютные высоты здесь составляют 100 м над уровнем моря.
На водораздельном хребте Уральских гор берут начало многие реки, в том числе левые притоки Оби. Эти поперечные реки отличаются очень быстрым течением, узкими долинами, крутыми склонами с живописными скалами.
Для Западно-Сибирской равнины характерны сильно разветвленная речная сеть и богатство подземными водами. Крупнейшей рекой территории округа является Обь с притоками Иртыш, Чулым, Кеть и др. В южных районах, где берут начало Обь и Иртыш, уклоны очень малы и реки плавно несут свои воды, образуя многочисленные меандры. В верхнем течении половодье продолжается с апреля по июнь. В среднем и нижнем течении Оби и Иртыша весенне-летнее половодье длится почти все короткое лето. Ледостав на реках длится с ноября по конец апреля.
Поверхностные воды сосредоточены также в сотнях тысяч больших и малых озер и обширных массивах болот равнины. На Урале озер относительно немного, и они в основном вытянуты вдоль восточного подножья гор Среднего и Южного Урала. Эти озера отличаются своей глубиной, прозрачностью воды, крутыми живописными берегами. На равнинах Зауралья озера мелководны, непроточны и нередко имеют слабосоленую воду.
Равнинность большей части территории округа благоприятствует свободному обмену воздушными массами между северной и южной частью и постепенному увеличению тепла к югу. Для севера равнины характерны продолжительные суровые зимы и прохладное влажное лето. Здесь распространена многолетняя мерзлота. Большая часть равнины относится к зоне избыточного увлажнения и поэтому сильно заболочена.
Контрасты климата особенно ярко проявляются на Урале в летний период. Средняя температура июля на севере +6°С, на юге +22°С. Зимой различия температур на севере и на юге не столь велики: на севере средние температуры составляют –20°С, на юге –16°С. Осадков на восточном склоне Урала выпадает на 100 –200 мм меньше, чем в Предуралье. В южном Зауралье годовая сумма осадков наименьшая (около 400 мм).
Огромная протяженность равнины с севера на юг и однообразие рельефа предопределили ее зональность. Тундра, простирающаяся здесь почти до Северного полярного круга, к югу сменяется узкой полосой лесотундры, далее переходит в огромную по площади лесную зону, неширокую лесостепную зону. Крайнюю южную часть Западной Сибири занимает зона степей с плодородными, правда, маломощными черноземами и каштановыми почвами. Значительная часть зоны степей распахана. В лесной зоне отсутствуют широколиственные и смешанные хвойно-широколиственные леса. Господствующими здесь являются темнохвойные еловые, пихтовые и кедровые леса. Лишь на южной окраине зоны встречаются коренные мелколиственные березовые и сосново-березовые леса. В горах Урала прослеживается высотная поясность. Набор поясов зависит от широтного положения гор и от их высоты. Наиболее полный набор высотных поясов наблюдается на Южном Урале, подножия которого расположились в лесостепной и степной зоне. Самую большую площадь на Урале занимает горный лесной пояс с преимущественно хвойными лесами.

В состав округа входят: Кур¬ганская, Свердловская, Тюменская, Челябинская области и Ханты-Мансийский автономный округ – Югра, Ямало-Ненецкий автономный округ.

С севера на юг округ протянулся от берегов Карского моря до южных границ России с Казахстаном. Довольно значительная часть округа расположена за Северным полярным кругом.