Il territorio è prevalentemente montuoso, ad eccezione delle piane alluvionali alle foci dei corsi d'acqua. La pianura più estesa - la Piana di Milazzo - è nel territorio fra Milazzo e Barcellona Pozzo di Gotto, i due centri più popolosi della provincia (dopo il Capoluogo). La conurbazione del centro urbano del capoluogo, dei due centri suddetti e dei comuni dell'hinterland ionico e tirrenico forma un'area metropolitana che sfiora i 500.000 abitanti ed è una delle maggiori del Sud.

Le catene montuose dei Monti Peloritani (fino a 1300mt) e dei Monti Nebrodi o Caronie (fino a 1900mt), con l'omonimo Parco Regionale Naturale, rappresentano la continuazione naturale dell'Appennino continentale in territorio siciliano, e ricadono in parte nella macro-area della Sicilia centrale.

La popolazione, nel corso degli anni, si è concentrata prevalentemente sulla costa, abbandonando in buona parte i centri collinari e causando una grande espansione delle borgate marittime degli stessi, via via riconosciute come comuni autonomi dalla fine del secolo XIX in poi.

I principali corsi d'acqua sono il Fiume Alcantara (che segna il confine con la provincia di Catania) ed altri corsi d'acqua a regime torrentizio simili alle "fiumare" calabresi. Il Fiume Pollina, ad ovest, è il limite di confine con la provincia di Palermo.