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Lo stato della Virginia può essere diviso dal punto di vista fisico in tre grandi regioni: la pianura costiera, l'altopiano di Piedmont e la regione di valli e montagne. Lo stato ha un'altezza media di 290 m, con il punto più alto, il monte Rogers, di 1747 m. sul livello del mare. La pianura costiera è una zona pianeggiante che comprende la regione della baia e parte della penisola di Delmarva che si prolunga dall'estremo sud dello stato del Maryland. Questa pianura sale dolcemente fino a raggiungere in alcuni punti dell'interno i 90 m sul livello del mare. Tra i fiumi Potomac, Rappahannock e York che sfociano nella baia di Chesapeake, si sono formate penisole paludose. La parte sud-orientale della pianura costiera dello stato è un territorio paludoso che si estende nello stato della Carolina del Nord. La regione dell'altopiano di Piedmont, è un altopiano che sale fino a raggiungere i 300 m, dove inizia la Cordigliera Azzurra (Blue Ridge). Il paesaggio caratteristico di questa regione è di dolci colline attraversate da fiumi e torrenti, con terreni argillosi, calcarei e rocce sedimentate ed ignee. La regione di valli e montagne può essere divisa a sua volta in tre zone: la Cordigliera Azzurra, l'altipiano degli Appalachi e la Valley e Ridge Region. La prima di queste unità, la Cordigliera Azzurra (Blue Ridge), è collegata con la regione di Piedmont, si estende da nord-est a sud-ovest. Le quote massime di questa catena montuosa oscillano tra 1.200 m, nel settore nord, e 1.747 m nella zona meridionale, monti Rogers. La Valley e Ridge Region, contiene la Grande Valle della Virginia, tra la Cordigliera Azzurra ed i monti Appalachi. La Grande Valle in realtà si tratta di differenti valli separate da altipiani e catene montuose. Tra queste valli, quella di Shenandoah è la più ampia e la più ricca dal punto di vista agricolo. Infine, l'altopiano degli Appalachi si trova nella parte sud-occidentale dello stato, come estensione della Virginia verso lo stato del Kentucky. Questa sottozona include parte dei monti Cumberland, zona selvaggia attraversata de fiumi e ricca di depositi di carbone.
Accanto ai fiumi già citati, (Potomac, Rappahannock e York), i più importanti dello stato sono i fiumi James, Roanoke, Shenandoah ed i fiumi che fanno parte del bacino del Mississippi, (che scorrono nella parte sud-occidentale dello stato), tra essi il New, l'Holston e il Clinch.
Il clima della Virginia si può definire subtropicale, mite ed umido, con differenze causate dall'altitudine ed in prossimità della baia di Chesapeake o all'oceano Atlantico. In gennaio, le temperature medie oscillano, secondo le zone, tra 2 °C e 5 °C in gennaio, e tra i 23 °C e i 26 °C, in Luglio. Le temperature estreme che sono state registrate in Virginia sono di -34 °C e di 43 °C. Per quanto riguarda le precipitazioni, la media è di 1.000 mm, che varia secondo le zone, ed oscillano tra 760 mm, nel nord-ovest, e i 1.400, nella costa sudoccidentale. Le precipitazioni nevose sono abbondanti solo nella regione sud-occidentale, sui monti Cumberland. La Virginia è colpita raramente da uragani e tornado.
La Virginia, situata nella regione sudorientale degli Stati Uniti, presenta una flora e fauna diversificata che riflette la ricchezza dei suoi ambienti naturali, che spaziano dalle pianure costiere alle montagne occidentali. Questa diversità ecologica è dovuta alla presenza di diverse zone climatiche e alla variazione di altitudine, che offrono habitat adatti a una grande varietà di specie vegetali e animali.
Nella regione costiera di Tidewater, che include le pianure alluvionali e le aree paludose, domina la presenza dei pini. Inoltre, nelle zone paludose della stessa regione, si possono trovare i maestosi cipressi calvi (Taxodium distichum). Questi alberi, noti per le loro radici emergenti chiamate "ginocchia di cipresso", sono adattati a vivere in ambienti saturi d'acqua.
Spostandosi verso l'interno, nelle zone montuose della Virginia occidentale, la vegetazione cambia drasticamente. Qui, grazie al clima più fresco e ai suoli più ricchi, crescono alberi dal legno duro come querce, aceri e hickory. Queste foreste decidue sono particolarmente spettacolari in autunno, quando le foglie assumono vivaci tonalità di rosso, arancione e giallo. Tra gli arbusti, si distinguono gli allori (Kalmia latifolia), i rododendri (Rhododendron spp.) e i cespugli di azalea (Rhododendron spp.). Le aree montuose e boschive della Virginia ospitano una varietà di mammiferi, tra cui alcuni di taglia notevole. Gli orsi bruni, sebbene non comuni, possono ancora essere avvistati nelle remote aree montuose. Questi grandi predatori sono simboli della fauna selvatica americana e svolgono un ruolo essenziale nell'equilibrio ecologico, contribuendo alla dispersione dei semi e al controllo delle popolazioni di altre specie. Anche i cervi, in particolare il cervo dalla coda bianca (Odocoileus virginianus), sono una presenza comune nelle foreste della Virginia. Tra i mammiferi di taglia più piccola, la Virginia è abitata da volpi, lepri, castori, scoiattoli e opossum. Le volpi, sia rosse (Vulpes vulpes) che grigie (Urocyon cinereoargenteus), sono predatori astuti che cacciano piccoli mammiferi e uccelli. Le lepri e i conigli selvatici sono prede importanti per molti predatori. I castori, noti per le loro abilità ingegneristiche, modificano il paesaggio costruendo dighe e stagni che creano habitat per molte altre specie. Gli scoiattoli, tra cui lo scoiattolo grigio orientale (Sciurus carolinensis), sono abbondanti e facilmente osservabili nei parchi e nelle foreste. Gli opossum, i soli marsupiali del Nord America.
Avifauna Tra gli uccelli più comuni si possono trovare i cardinali (Cardinalis cardinalis), i picchi (famiglia Picidae), le aquile calve (Haliaeetus leucocephalus) e una varietà di anatre e aironi nelle zone umide. La diversità degli habitat consente anche la presenza di numerosi rapaci, passeriformi e uccelli acquatici.