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Un profilo montuoso e due coste atlantiche. Il Massachusetts si presenta come uno stato caratterizzato da un territorio prevalentemente montuoso, con due distinte coste che si affacciano sull'oceano Atlantico: una a est e una a sud, separate dalla valle del fiume Connecticut. L'altitudine media si attesta sui 153 metri, con il punto più alto rappresentato dal Monte Greylock che svetta a 1.064 metri.
Il territorio del Massachusetts può essere suddiviso in tre macro-regioni fisiche: La regione degli altipiani e delle valli: occupa la metà occidentale dello stato, estendendosi da Worcester fino al confine con lo stato di New York. Al suo interno si distinguono i Monti Taconic, dove si trova il Monte Greylock, la Valle del Berkshire, solcata dai fiumi Housatonic e Hoosic, e le propaggini delle Green Mountains del Vermont. La Valle del Connecticut, con il suo paesaggio modellato dal fiume e dai suoi tributari, separa la sezione centrale da quella occidentale.
Le pianure litorali della parte orientale: si sviluppano a est della contea di Worcester, lungo l'oceano Atlantico. Offrono un terreno fertile per l'agricoltura e un litorale roccioso a nord, ricco di insenature create dai fiumi Merrimack, Nashua, Concord, Charles, Taunton e Fall.
La pianura costiera di sud-est: comprende la penisola di Cape Cod e le isole di Martha's Vineyard, Nantucket e Elizabeth. Di origine glaciale, questa regione si distingue per le sue spiagge sabbiose e le dune.
Il Massachusetts è ricco di corsi d'acqua. Il fiume Connecticut, il più lungo del New England, segna il confine occidentale dello stato, mentre il fiume Merrimack attraversa la parte nord-orientale. Il fiume Charles, scorre attraverso Boston e si immette nella baia del Massachusetts. Oltre ai fiumi, il Massachusetts vanta oltre 1.100 laghi e stagni, tra cui il Quabbin Reservoir, il bacino idrico artificiale più grande dello stato.
Il clima del Massachusetts è caratterizzato da frequenti cambiamenti dovuti alla convergenza di venti freddi e secchi da nord con quelli umidi e caldi da sud. Questa interazione porta a nuvolosità e temporali frequenti. Le estati sono calde, le primavere brevi, gli autunni freddi e gli inverni lunghi, con una variazione di rigidità climatica in base alla regione e alla vicinanza al mare. La mitigazione del freddo invernale e del caldo estivo è influenzata dall'azione dei venti costieri. Le temperature medie in luglio nell'area di Boston raggiungono i 23 °C, mentre in gennaio scendono a -2 °C. Le precipitazioni abbondanti, con una media annuale di 1.050 mm, sono distribuite uniformemente durante tutto l'anno, con nevicate più frequenti e intense nella parte occidentale dello stato.
Per quanto riguarda la flora e la fauna, il Massachusetts ospita una varietà di ambienti naturali. Le foreste decidue di querce, carya e aceri, tipiche delle regioni meridionali, si alternano alle foreste di conifere più diffuse nelle aree settentrionali. La fauna selvatica, sebbene ridotta dalla caccia e dalla presenza umana prolungata, include piccoli mammiferi come volpi, conigli, procioni, puzzole e scoiattoli. Tuttavia, specie più grandi come orsi, felini selvatici e cervi sono diventati sempre più rari. Gli uccelli, compresi quelli acquatici, sono abbondanti nella regione.