ภาคตะวันออกเฉียงเหนือครอบคลุมพื้นที่ 160,000 ตารางกิโลเมตร ตั้งอยู่บนแอ่งโคราชและแอ่งสกลนคร โดยลาดเอียงมาจากทิวเขาเพชรบูรณ์ทางทิศตะวันตกของภูมิภาค ลงไปยังแม่น้ำโขง ซึ่งกั้นประเทศลาวทางทิศเหนือและตะวันออกของภูมิภาค และทิศใต้กั้นประเทศกัมพูชาด้วยทิวเขาพนมดงรัก แอ่งโคราชจะอยู่ในภาคตะวันออกเฉียงเหนือตอนล่าง มีแม่น้ำสายหลัก คือ แม่น้ำมูล และแม่น้ำชี ทิศเหนือของแอ่งโคราชจะจรดแอ่งสกลนครโดยมีเทือกเขาภูพานกั้นไว้ แอ่งสกลนครมีแม่น้ำสายหลัก คือ แม่น้ำเลย และแม่น้ำสงคราม ดินในภาคตะวันออกเฉียงเหนือส่วนใหญ่เป็นทราย และแหล่งสะสมเกลือสินเธาว์