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Il Nebraska occupa un enorme pianura che si alza gradualmente da sud-est, dal fiume Missouri, fino a sud-ovest (al confine del Wyoming e Colorado). L'altezza media dello stato è di 793 m, con il punto più basso di 256 m ed il più elevato di 1.654 m. La maggior parte di questa regione è stata modellata dalle glaciazioni, che hanno creato un paesaggio di colline dolci coperte di loess, cioè, ricchi sedimenti che furono trascinati dall'azione del ghiaccio, trasportati ed accumulati dai venti da nord e nord-ovest. L'area a nord del fiume Platte, è caratterizzata da un paesaggio di colline, attraversata dai fiumi Elkhorn e Loup. Le Colline di Sabbia, (Sand Hills), coprono la zona del cento-nord e nord-ovest del Nebraska. Si tratta di una vasta regione di dune, alcune di quasi 100 m di altezza, coperte da foraggio, che è diventato la fonte principale della sua prospera attività del bestiame. La regione a sud del fiume Platte, è una ricca pianura di loess, dedicata principalmente all'agricoltura, che contrasta con la parte più occidentale dello stato, una regione di altipiani con alcuni canyon poco profondi. La regione confinante col Colorado è la zona più aspra del Nebraska, con catene montuose, tra le quali Wildcat Hills e Pine Ridge.
Tutti i fiumi del Nebraska appartengono al sistema Missouri-Mississippi. La maggior parte dei suoi fiumi scorrono da ovest verso est, per poi sfociare nel fiume Missouri che forma la frontiera naturale orientale. Il fiume più importante, è il Platte che nasce sulle Montagne Rocciose, ed attraversa da un estremo all'altro il Nebraska. Altri fiumi importanti sono il Loup tributario del fiume Platte, il fiume Elkhorn, il fiume Niobrara, il fiume Republican ed il fiume Blue. I laghi più importanti del Nebraska sono artificiali, compreso il lago McConaughy, sul fiume Platte.
Il clima del Nebraska è di carattere continentale, con inverni freddi ed estati calde, si registrano temperature comprese tra i 38 °C in estate e i -32 °C in inverno, dovuto alle masse d'aria fredda provenienti dall'artico, sebbene le temperature medie sono abitualmente tra 25 °C nei mesi estivi e di -4 °C in quelli invernali. Le precipitazioni medie annuali sono di 910 mm nel sud-est e di 380 mm al confine con il Colorado. Le piogge sono più frequenti tra i mesi di maggio e Luglio, le siccità sono frequenti in gran parte del territorio, dove il clima è considerato semiarido, si è quindi reso necessario la costruzione di opere di irrigazione. Il Nebraska è regolarmente colpito da tornado e tempeste.
La vegetazione naturale del Nebraska è principalmente costituita da praterie erbacee, dove vasti tappeti di graminacee come, erba blu e grano dominano il paesaggio. Tuttavia, lungo i principali corsi d'acqua come il Platte River e il Missouri River, è possibile trovare fasce di alberi. Qui prosperano principalmente latifoglie decidue come querce, aceri e noccioli. La fauna del Nebraska si è adattata agli ambienti che lo stato offre. Nelle praterie, è comune avvistare mammiferi come bisonti, coyote, cervi e lepri jack. Questi animali sono perfettamente adattati alla vita nelle vaste distese erbacee, dove trovano cibo e copertura sufficienti per sopravvivere. Nei boschi lungo i fiumi, invece, è possibile incontrare specie più legate agli alberi, come la volpe rossa, il procione e una varietà di uccelli.