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Il territorio dell'Illinois è prevalentemente pianeggiante, coperto quasi completamente da coltivazioni agricole. A sud, la pianura si interrompe con le prime colline della Cordigliera Orzak, tuttavia, il punto più elevato dello stato si trova nel nord-ovest, Charles Mound, 376 m sul livello del mare. Questa regione fu colpita per il 90% dalle glaciazioni, con l'eccezione delle contee di Jo Daviess, nel nordovest, Calhoun nel regione centro-occidentale, e le contee più a sud, tuttavia, questo territorio è stato favorito dalla sedimentazione di materiali loess ed altri materiali che hanno arricchito enormemente i terreni per uso agricolo.
Sette grandi bacini permettono di dividere lo stato dell'Illinois in regioni naturali: quella del lago Michigan, e quella dei fiumi Illinois, Rock, Kaskaskia, Big Muddy, Wabash ed Ohio. Il bacino più importante è quello del fiume l'Illinois che scorre nello stato da nord-est a sud-ovest e si collega col fiume Mississippi ed il lago Michigan, (questo grazie ad un canale artificiale, l'Illinois Waterway). I laghi naturali sono scarsi in Illinois, non così le riserve d'acqua artificiali, come il Carlyle, Crab Orchard e Shelbyville. Alcuni, come Chain O'Lakes (un gruppo di piccoli laghi nel nord-ovest) sono una popolare area ricreativa durante i mesi estivi. Il regione nord e centrale dello stato, specialmente le contee di Champaign e McLean, sono eccezionalmente fertili.
Il clima dell'Illinois è molto vario, poiché si incontrano i venti freddi da nord, e le correnti calde provenienti da sud. In Illinois ci sono, inverni freddi ed estati calde e una temperatura media annuale tra 10 ° C e 16 ° C superiore nella regione meridionale. Le temperature medie sono di -6 °C nel nord e di 3 °C nel sud, in inverno; nei mesi estivi le temperature raggiungono i 21 °C nel nord e 25 °C nel sud. In quanto alle precipitazioni, si registra una media annuale di 864 mm, con piogge più abbondanti nel sud, fino a 1110 mm annuali. In inverno sono frequenti le tormente di neve.
La flora che ricopriva originariamente l'Illinois era formata da alte erbe nelle praterie, e da foreste di alberi decidui come querce, noci d'America, aceri, faggi, olmi e frassini che coprivano le valli fluviali. Tutta questa vegetazione naturale è stata sostituita da terreni coltivati. La ricca fauna comprende cervi, lepri, scoiattoli, volpi, quaglie e fagiani, insieme a molte specie di uccelli acquatici.