Mãn Châu bao gồm chủ yếu phần phía Bắc của khu vực nền cổ Hoa Bắc, có dạng hình phễu, một khu vực rộng lớn với những tầng đất đá có niên đại Tiền Cambri được cày xới và bao phủ trải dài trên một diện tích 100 triệu hecta. Nền cổ Hoa Bắc là một lục địa độc lập vào trước kỷ Tam Điệp và được biết đến là lục địa ở phía cực bắc thế giới trong kỷ Than Đá. Dãy Đại Hưng An ở phía Tây và một dãy núi có niên đại từ kỷ Jura[36] được hình thành do sự va chạm của nền cổ Hoa Bắc với nền cổ Siberi, đánh dấu giai đoạn cuối cùng của sự hình thành của siêu lục địa Pangaea.

Không có phần lục địa nào của Mãn Châu bị đóng băng trong kỷ Đệ Tứ, nhưng địa chất bề mặt của hầu hết các phần địa hình thấp hơn và màu mỡ hơn của Mãn Châu bao gồm các lớp hoàng thổ rất sâu, được hình thành do sự di chuyển của bụi và hạt đất sét (en:till) bởi gió cho đến khi các hạt hình thành ở các vùng băng giá của dãy Himalaya, Côn Lôn và Thiên Sơn, cũng như các sa mạc Gobi và Taklamakan.[37] Các loại đất chủ yếu là đất giàu chất hữu cơ (en:mollisol) và các loại đất màu mỡ khác (en:entisol), ngoại trừ ở những vùng núi cao hơn, nơi chúng là các địa hình en:orthent phát triển kém, cũng như ở phía cực bắc, nơi xảy ra băng vĩnh cửu và en:orthel chiếm ưu thế.[38]

Khí hậu của Mãn Châu có sự tương phản cực đoan theo mùa, từ khí hậu ẩm ướt, gần như nhiệt đới vào mùa hè đến khí hậu Bắc cực có gió và khô vào mùa đông. Mô hình này xảy ra bởi vì vị trí của Mãn Châu trên ranh giới giữa vùng đất liền lục địa Á-Âu và Thái Bình Dương rộng lớn gây ra sự đảo ngược gió mùa hoàn toàn.

Vào mùa hè, khi mặt đất tăng nhiệt độ nhanh hơn đại dương, áp thấp hình thành ở châu Á và gió ấm, ẩm từ nam đến đông nam mang theo mưa lớn, sấm sét, mang lại lượng mưa hàng năm từ 400 mm (16 in) hoặc ít hơn ở phía tây, đến hơn 1.150 mm (45 in) trên dãy núi Trường Bạch.[39] Nhiệt độ vào mùa hè trải từ rất ấm áp đến nóng, với cực đại trung bình tháng 7 dao động từ 31 °C (88 °F) ở phía Nam đến 24 °C (75 °F) ở cực Bắc.[40] Ngoại trừ ở phía bắc xa gần sông Amur, độ ẩm cao gây ra sự khó chịu lớn vào thời điểm này trong năm.[cần dẫn nguồn]

Tuy nhiên, vào mùa đông, vùng khí áp cao Siberia rộng lớn gây ra những cơn gió rất lạnh, từ bắc đến bắc có nhiệt độ thấp tới −5 °C (23 °F) ở cực Nam và −30 °C (−22 °F) ở phía bắc[41] nơi vùng băng vĩnh cửu không liên tục đến phía bắc Hắc Long Giang. Tuy nhiên, vì gió từ Siberia cực kỳ khô, tuyết chỉ rơi vào một vài ngày mỗi mùa đông và không bao giờ quá dày. Điều này giải thích tại sao các vĩ độ tương ứng của Bắc Mỹ bị đóng băng hoàn toàn trong thời kỳ băng hà của Đệ tứ trong khi Mãn Châu, dù lạnh hơn, vẫn luôn quá khô để tạo thành sông băng[42] – một trạng thái được tăng cường bởi gió tây mạnh hơn từ bề mặt dải băng ở châu Âu.