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Il Wyoming è un stato diviso in due grande regioni fisiche, la regione delle Grandi Praterie e quella delle Montagne Rocciose. Ha una notevole altezza media 2.044 m, ed un'altezza massima situata sul monte Gannett, 4.210 m, ed il punto più basso nel letto del fiume Belle Fourche, 946 m. In generale, lo stato può essere descritto come una successione di pianure, montagne e deserti. Le Grandi Pianure si trovano nella regione orientale dello stato (a est delle Montagne Rocciose), mentre la catena delle Montagne Rocciose attraversa il Wyoming da nord-ovest fino a sud. Esistono numerosi altipiani, alcuni al di sopra dei 2.000 m. Le catene montuose più importanti sono i Monti Laramie, a sud-est, dove si trova il monte Medicine Bow, di 3.660 m, i Monti Bighorn, nella parte centro-settentrionale il cui punto più elevato è il monte Cloud, 4.000 m, la Cordigliera Absaroka, a nord-ovest, dove si trova il monte Francs, 4.080 m, la cordigliera Teton, col Grand Teton, 4.195 m. e la catena Wind River, dove si trova il monte Gannett ed altre montagne con quote che superano i 4.000 m.
I fiumi che nascono in Wyoming alimentano le acque dei grandi bacini degli Stati Uniti: il bacino del Mississippi-Missouri, quella del fiume Columbia, e quella del fiume Colorado. La maggior parte dei fiumi scorrono in direzione nord per sfociare nei fiumi del sistema il Mississippi-Missouri, come i fiumi Yellowstone, Bighorn, Tongue, Powder, Cheyenne, Niobrara e North Platte. Il fiume Green è il più importante di quelli che sfociano nel fiume il Colorado. I fiumi Snake e Salt si uniscono e sono tributari del fiume Columbia, mentre il fiume Bear sfocia in Utah nel Grande Lago Salato. Il Wyoming ha numerosi laghi come lo Yellowstone, Jackson, Fremont, Shoshone, ed altri artificiali, come il Pathfinder, Seminoe, Glendo, Boysen, Alcova.
Il clima del Wyoming è freddo e secco, con variazioni determinate dall'altitudine. Nelle regioni con altitudini medie, vicine ai 2.000 m, la temperatura annuale media è di 8 °C. Il termometro registra in Luglio una temperatura media di 10 °C nella zona montuosa, e di 24 °C nelle zone più calde, mentre in gennaio le temperature medie oscillano tra -12 °C e -2 °C. Le precipitazioni medie in Wyoming sono di 382 mm, per questo lo stato ha un clima semiarido, sebbene nella regione dell'ovest le precipitazioni annuali sono inferiori a 100 mm, tipiche di un clima arido.
Circa il 16% del territorio del Wyoming è ricoperto da foreste, un ecosistema vitale che contribuisce alla biodiversità dello stato. Queste foreste sono dominate principalmente da pini, abeti e pioppi. I pini, con la loro capacità di adattarsi a condizioni climatiche rigide, sono tra gli alberi più comuni nelle regioni montuose del Wyoming. Gli abeti, con le loro foglie aghiformi e la resistenza al freddo, prosperano nelle altitudini più elevate, mentre i pioppi, sono spesso presenti nelle zone più umide e lungo i corsi d'acqua. Le praterie, che coprono ampie porzioni delle pianure del Wyoming, sono dominate da erbe alte e fiori selvatici. Nelle zone più aride, le steppe prendono il sopravvento, caratterizzate da vegetazione bassa come l'artemisia, una pianta estremamente adattabile alle condizioni semi-aride del Wyoming.
La fauna del Wyoming comprende una serie di specie emblematiche del Nord America. Tra queste, l'orso grizzly, un tempo diffuso in gran parte del continente, oggi è considerato una specie in pericolo di estinzione. Sebbene la popolazione di grizzly sia limitata, gli orsi bruni e neri rimangono ancora relativamente numerosi e rappresentano una parte fondamentale dell'ecosistema del Wyoming. Il Wyoming è anche la patria di grandi erbivori come alci, cervi e antilopi. Gli alci, sono una vista comune nelle foreste e nelle praterie. I cervi, presenti in diverse specie, si adattano facilmente a vari habitat. L'antilope americana, conosciuta anche come pronghorn, è particolarmente numerosa nelle praterie del Wyoming. I predatori giocano un ruolo cruciale nell'equilibrio ecologico del Wyoming. Tra questi, i leoni di montagna, o puma. I coyote della prateria, diffusi in tutto lo stato. Altri piccoli mammiferi, come i castori e le donnole, contribuiscono alla ricca biodiversità dello stato.