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Lo stato del Minnesota può essere diviso in due grande regioni fisiche: Gli altopiani superiori (prolungamento dello Scudo Canadese) e le pianure centrali. All'interno di queste due divisioni, si trovano alcuni tipi di paesaggi geologici, sebbene, in generale, il territorio non ha brusci contrasti dal punto di vista dell'altitudine, l'altezza media dello stato è di 370 m, col punto più elevato a nord-ovest, monte Eagle, di 701 m, ed il più basso sulle rive del lago Superiore, 183 m.
Gli altipiani, nella sezione di nord-est del Minnesota, è una regione composta di roccia di origine vulcanica, montagne granitiche, valli formate da torrenti, e numerosi e profondi laghi di origine glaciale. In questa regione, si trova il monte Eagle.
La regione delle pianure centrali può essere divisa a sua volta in tre grandi regioni le cui caratteristiche si devono agli effetti delle diverse fasi della glaciazione. Da una parte, le regioni meridionali e l'ovest del Minnesota sono una zona pianeggiante, dove si trovava l'antico lago Agassiz che coprì durante il pleistocene questa parte del Minnesota, oltre ad un settore del Nord Dakota, Manitoba ed Ontario. La seconda delle regioni delle pianure centrali si trova a sud-est dello stato; si tratta di una zona che rimase al di fuori dell'azione glaciale, e pertanto è formata da materiali trascinati dal disgelo. Infine, a sud-ovest dello stato si trova la regione dove si sono accumulati materiali morenici, a partire dal secondo ed all'ultimo avanzamento del ghiaccio.
Nella zona sudorientale, l'erosione causata dal fiume Mississippi e suoi tributari nei terreni calcarei ha formato grotte e burroni, questi ultimi, in alcuni punti di quasi 200 m.
Il Minnesota ha fiumi che appartengono a tre dei grandi bacini fluviali nordamericani: il bacino della baia di Hudson, quella del golfo del Messico e quella di San Lorenzo. Più della metà delle sui fiumi, (compresi i fiumi Minnesota e St. Coix), fanno parte del bacino del Golfo poiché sono tributari del fiume Mississippi, l'immenso fiume che ha la sua origine nel parco statale di Itasca, nel nord del Minnesota. Una terza parte dei fiumi del Minnesota sfociano nei fiumi Red e Rainy che formano parte del sistema della baia di Hudson-Nelson. Infine, i principali fiumi del nord-est del Minnesota, tra essi, i fiumi Saint Louis e Pigeon, fanno parte del sistema Grandi Laghi-San Lorenzo.
Il Minnesota conta su un numero imprecisato di laghi, ce ne sono circa tra i 15.000 e 20.000 in totale. La maggior parte di questi laghi si trovano nel nord e nel centro dello stato, soprattutto nel nord degli altipiani centrali. Oltre ad una grande parte del lago Superiore che fa parte della sua giurisdizione, i laghi più importanti sono i seguenti: Red (che ha due sezioni, superiore e inferiore), Woods, Rainy, Mille Lacs, Winnibigoshish, Leech, Vermillion lakes, St. Croix, Pepin, Traverse e Big Stone.
Il Minnesota si trova nel centro geografico degli Stati Uniti, questo gli conferisce un clima continentale umido, con piogge moderate e grandi oscillazioni nelle temperature. Inoltre poiche lo stato si estende dal nord subártico fino alla zona temperata chiamata "Corn Belt", questo spiega le grandi variazioni climatiche tra alcune regioni ed altre. In generale, si può dire che le estati sono miti nelle regioni del sud e fresche nel nord, tra 29 °C nel sud e 22 °C nel nord, in Luglio, mentre gli inverni sono freddi in tutto lo stato, tra -4 °C e -9 °C nel sud e nord in gennaio. Le precipitazioni medie annuali registrate in Minnesota oscillano tra 480 mm, a nord-ovest, e 810 mm, a sud-est. Le precipitazioni in forma di neve sono abbondanti, soprattutto nella regione nordorientale.
Il Minnesota, situato in una zona di vegetazione di transizione, presenta una flora e fauna estremamente diversificata. La vegetazione naturale del sud e dell'ovest del Minnesota era dominata da vaste praterie, ora in gran parte convertite per l'agricoltura e l'urbanizzazione. Tuttavia, esistono ancora riserve e parchi dove è possibile ammirare queste distese erbose. Le foreste del Minnesota possono essere suddivise in due categorie principali. Nel nord e nel centro-est dello stato prevalgono le conifere, con abeti, pini e cedri che dominano il paesaggio. Più a sud, invece, troviamo foreste di latifoglie, composte da querce, aceri e altri alberi a foglia caduca.
La fauna del Minnesota è altrettanto varia e rappresenta un vero paradiso per gli appassionati di caccia e pesca. Nelle remote zone settentrionali, è possibile incontrare maestosi alci, mentre i cervi sono comuni in tutto lo stato. Oltre ai grandi mammiferi, il Minnesota ospita numerosi animali più piccoli, tra cui volpi, procioni e conigli.
Le acque del Minnesota sono ricche di vita, con oltre 140 specie di pesci identificate. Questo rende lo stato una meta ambita per i pescatori, che possono cimentarsi nella pesca di lucci, walleye, trote e molte altre specie.