Situado al noroeste del país, Sonora comprende una extensión territorial de 179,503 km2; lo que le confiere el segundo lugar nacional, sólo por detrás del estado de Chihuahua, al representar el 9.2% del territorio mexicano. Además, comparte frontera al norte con el vecino país de los Estados Unidos de Norteamérica, al este con Chihuahua, al sur con Sinaloa y al oeste con Baja California y el Golfo de California. La frontera con los Estados Unidos es de una longitud de 588 km, colindando principalmente con el estado norteamericano de Arizona (en 568 km).
Numerosas serranías atraviesan el territorio sonorense por el este, ya que éste se encuentra en la vertiente exterior de la Sierra Madre Occidental. Sus principales elevaciones son el Cerro Pico Guacamayas y la Sierra los Ajos, ambos con una altura sobre el nivel del mar de 2,620 m; Sierra San José, 2,540 msnm; Sierra La Charola y Sierra San Luis, 2,520 msnm; Sierra La Mariquita, 2,500 msnm. En el extremo oeste, el litoral de 1,208 km de extensión enmarca la llanura sonorense.
Los ríos que atraviesan el estado navegan por un suelo con marcado declive hacia las costas, debido a lo cual no pueden almacenarse. Estos ríos son, Magdalena, Sonora, Moctezuma, Bavispe, Sahuaripa, Bacoachi, San Francisco, Sonoyta, Mátape, San Miguel de Horcasitas, Aros y El Plomo. Los únicos ríos que no sufren la misma suerte son los ríos Yaqui y Mayo, por lo que sus valles del mismo nombre son los dos valles dedicados al cultivo en la entidad. Otros importantes valles son el de Hermosillo, el de San José de Guaymas, el de Ures y el San Luis Río Colorado.
De climas muy secos y secos, las partes bajas del estado alcanzan muy altas temperaturas. El Desierto del Altar, localizado dentro de sus límites es de hecho la zona más árida de todo el país. Sin embargo, en las altas sierras el clima es templado subhúmedo con una precipitación media anual de 1,000 mm.
12 mil hectáreas de bosques de pino, oyamel, cedro blanco y encino enmarcan las montañas habitadas por venados, gato montés, jabalí, halcón y gavilán. En las áridas llanuras, plantas cactáceas, palo fierro, palo verde, mezquite y joroba decoran el paisaje. La fauna que ha desarrollado resistencia al extremoso clima se compone principalmente de iguanas, coyotes, camaleones, coyotes, conejos, liebres, cacomixtle, cuyo y tarántulas. Mientras que en la costa, garzas y gaviotas surcan el cielo sobre un mar abundante en langosta, langostino, abulón, atún, anguila, bagre, pámpano, sardina, sierra, martín pescador, camarón y cangrejo, jurel, mojarra, dorado, bobo y pulpo.