Nagorno-Karabakh có tổng diện tích 4.400 kilômét vuông (1.699 dặm vuông Anh).[99] Khoảng một nửa địa hình Nagorno-Karabakh cao hơn 950 mét (3.120 ft) trên mực nước biển.[100] Biên giới của Nagorno-Karabakh giống như một hạt đậu với vết lõm ở phía đông. Nó có các rặng núi cao dọc theo rìa phía bắc và dọc theo phía tây và miền núi phía nam. Bản thân phần gần vết lõm của hạt đậu là một thung lũng tương đối bằng phẳng, với hai mép của hạt đậu, các tỉnh Martakert và Martuni, cũng có những vùng đất bằng phẳng. Các thung lũng khác bằng phẳng hơn tồn tại xung quanh hồ Sarsang, Hadrut và phía nam. Trung bình, toàn bộ khu vực nằm trên mực nước biển 1,100 mét (3 ft 7,3 in) trên mực nước biển.[100] Các đỉnh núi đáng chú ý bao gồm núi biên giới Murovdag và dãy núi Great Kirs ở ngã ba Shusha Rayon và Hadrut.Lãnh thổ của Nagorno-Karabakh hiện đại tạo thành một phần của khu vực lịch sử của Karabakh, nằm giữa các sông Kura và Araxes, và biên giới Armenia-Azerbaijan hiện đại. Nagorno-Karabakh trong biên giới hiện đại của nó là một phần của khu vực rộng lớn hơn của Thượng Karabakh.

Nagorno-Karabakh không giáp biên giới với Armenia nhưng nước cộng hòa kiểm soát hành lang Lachin, một con đèo nối liền với Armenia.

Môi trường của Nagorno-Karabakh thay đổi từ thảo nguyên trên vùng đất thấp Kura thông qua các khu rừng rậm của sồi, trăn và sồi trên sườn núi thấp hơn đến đồng cỏ bạch dương và núi cao ở trên cao. Khu vực này sở hữu nhiều suối khoáng và mỏ kẽm, than, chì, vàng, đá cẩm thạch và đá vôi.[101] Các thành phố lớn của khu vực là Stepanakert, đóng vai trò là thủ đô của Cộng hòa Nagorno-Karabakh, và Shusha, nằm một phần trong đống đổ nát. Các vườn nho, vườn cây ăn quả và vườn dâu nuôi tằm được phát triển trong các thung lũng.[102]