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Il nome deriva da Arizona "le piccole sorgenti" nella lingua dei Papago gli indiani della zona. Lo stato dell'Arizona è dal punto di vista geomorfologico, una sezione del Gran Bacino e della Grande Catena del sud-ovest degli Stati Uniti. Le sue grandi regioni naturali sono l'altopiano messicano, il deserto di Sonora e l'altopiano del Colorado. L'altopiano messicano è una catena montuosa che percorre lo stato diagonalmente da sud-est a nord-ovest, lungo la catena, a sud-ovest, si trova il deserto di Sonora. Questa zona è caratterizzata da un susseguirsi di colline e ripide valli. La maggior parte delle cime non superano i 2.400 metri, tuttavia, alcune di esse sono più alte come il Monte Graham, o il monte Lemmon.
L'altopiano del Colorado si estende su una grande sezione di nord-est dello stato. Questo altopiano si prolungata dagli stati dello Utah, del Colorado e New Mexico. Infatti, questo altopiano non è uniforme ma un susseguirsi di pianure (con altezze che variano tra i 1.524 e 2.743 m) e valli. In questa zona ci sono molti Canyon (come il famoso e spettacolare Grand Canyon e il Canyon di Chelly) e montagne vulcaniche (tra cui il monte Humphreys 3.862 m, il punto più alto dell'Arizona).
I fiumi più importanti che percorrono l'Arizona sono il Colorado e suoi tributari. Il Colorado entra nello stato proveniente dallo Utah. Questo scorre approssimativamente per 350 km nella la zona del canyon e forma la frontiera naturale tra Nevada ed Arizona, e tra Arizona e California. I suoi affluenti più importanti in Arizona sono il Gila, il Piccolo Colorado. L'Arizona non ha soltanto laghi naturali, ma sono stati creati molti laghi artificiali tra i quali citiamo il lago Powell, Mead, Mohave, il Havasu, San Carlos, Theodore Roosevelt, e Apache.
L'Arizona, con il suo clima vario e in generale caldo e asciutto, offre una diversità meteorologica che ha influenzato la distribuzione demografica e le attività economiche nello stato. La regione di sud-est, in particolare intorno a Phoenix, ha goduto di un clima mite che ha attirato molte persone in cerca di temperature piacevoli. Durante l'estate, le massime raggiungono i 38 °C, mentre in marzo, la media è di 25 °C con minime di 6 °C.
Nella zona centrale montuosa, la temperatura minima in inverno può scendere fino a -10 °C, offrendo un clima più fresco rispetto alle pianure circostanti. Le precipitazioni medie dello stato ammontano a 330 mm all'anno, ma variano notevolmente in diverse regioni. Ad esempio, a Yuma, la zona più secca, le precipitazioni annue si attestano intorno a soli 76 mm, mentre nelle montagne Bianche, la cifra raggiunge i 635 mm.
Questa varietà climatica contribuisce alla diversità ecologica dell'Arizona, con ecosistemi che vanno dai deserti alle montagne innevate. La pianura desertica di Yuma, con le sue precipitazioni scarse, offre un contrasto marcato rispetto alle zone montuose più umide.
Le pianure desertiche sono disseminate di cespugli di salvia, di cactus e di piante mesquite. Nelle zone collinari dominano grandi distese erbose e boschi, costituiti da querce, nelle aree calde, e da pini a piccolo fusto in quelle più fredde. Sulle montagne sono invece diffusi gli aceri, i pioppi e gli abeti. Anche la fauna è estremamente varia: accanto ai roditori (castori e scoiattoli) si trovano numerosi animali selvaggi di grosse dimensioni, quali l'orso bruno, il puma, il cervo, l'antilope e l'alce. I rettili, presenti in grande numero, comprendono diversi tipi di lucertole (tra le quali una specie velenosa il "Gila monster"), serpenti a sonagli e serpenti corallo. Si possono infine trovare oltre 400 specie di volatili, comprese rarità come il bellissimo uccello trogone.