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Il territorio dell'Ohio può essere diviso dal punto di vista fisico, in due grandi regioni, la metà sud-orientale fa parte degli altipiani degli Appalachi, mentre il settore più a nord-est occupa parte delle pianure centrali del subcontinente nordamericano. Non c'è un grande contrasto in termini di quota, perché l'altitudine media di questo stato è 259 m, con il punto più alto situato a Campbell Hill, 472 m, e il più basso nel letto del fiume Ohio, 132 m sul livello del mare. La regione degli altipiani è chiamata l'altopiano di Allegheny che si estende fino alle rive del lago Erie e a ovest, fino al fiume Ohio. L'altopiano è l'unica zona dell'Ohio che non è stata modellata dall'effetto della glaciazione, ed è caratterizzata da valli e colline. L'altra grande unità che forma parte degli altipiani centrali della zona occidentale dell'Ohio, può essere divisa in due sottosezioni: la pianura, vicino al lago Erie, e la regione di nord-ovest. Questa ultima zona era conosciuta come la Palude Nera, ( Black Swamp ), durante l'epoca della prima colonizzazione. Una volta prosciugata questa zona venne usata per l'agricoltura con eccellenti risultati.
I fiumi dell'Ohio fanno parte di due bacini idrografici: quella del lago Erie e quello del fiume Ohio. I principali fiumi che alimentano il lago Erie sono il Maumee, il Sandusky, il Cayahoga e il Grand. I più importanti affluenti del fiume Ohio sono il Miami, il Little Miami, lo Scioto, l'Hocking, il Muskingum e il Mahoning. Il fiume Ohio è stato per secoli il filo conduttore dello sviluppo dello stato, poiché permette la navigazione lungo i 700 Km che percorre in Ohio.
La maggior parte dei laghi principali dell'Ohio sono artificiali, molti di essi costruiti per controllare le inondazioni, come quella catastrofica verificatasi nel 1913, oltre che per produrre energia elettrica e somministrare acqua alle grandi città. Il lago più importante è l'Erie che condivide con Canada, Pennsylvania, Michigan e New York, lo stato controlla 370 Km di costa. In questo lago, i principali porti sono la baia di Sandusky e Maumee. Il lago interno più esteso è il Saint Marys, anche chiamato Grand Lake, nell'ovest dell'Ohio.
Il clima dell'Ohio è temperato ma molto variabile, si hanno notevoli cambiamenti in base alla latitudine. Così, nel sud dello stato le temperature sono più alte, tanto in inverno come in estate rispetto alle regioni del nord. Le temperature medie in gennaio variano tra -3 °C e 2 °C, mentre in Luglio si registrano medie tra i 23 °C e 26 °C. Le precipitazioni medie annuali in Ohio sono di 940 mm, ma sono più abbondanti nel sud che nelle regioni settentrionali, e concentrate durante i mesi da maggio ad ottobre.
L'Ohio è rinomato per la sua biodiversità, particolarmente evidente nelle sue acque dolci. Numerose specie ittiche popolano fiumi, laghi e torrenti dell'Ohio. Tra queste, il pesce gatto, il luccio e il pesce persico sono particolarmente abbondanti. I boschi e le praterie dello stato sono l'habitat naturale di molte specie di mammiferi. Conigli e scoiattoli sono facilmente avvistabili, mentre i cervi sono una presenza costante nelle aree più boscose. Le quaglie, le anatre e i tacchini popolano le zone umide e i campi, offrendo uno spettacolo naturale unico durante i loro periodi di migrazione e riproduzione. In alcune zone rurali dell'Ohio, è ancora possibile trovare esemplari di orso bruno, anche se sono relativamente rari. Inoltre, animali come l'opossum, il topo muschiato, il procione e il visone sono comuni.
Le foreste dello stato ospitano una varietà di alberi, tra cui querce, aceri e frassini. In primavera e in estate, prati e boschi si trasformano in un mosaico di colori grazie alla fioritura di numerose specie di fiori selvatici.