Thiểm Tây có tọa độ giới hạn trong 105°29′－111°15′ kinh Đông, 31°42′-39°35′ vĩ Bắc. Thiểm Tây giáp Sơn Tây, Hà Nam ở phía đông; giáp Ninh Hạ, Cam Túc ở phía tây; giáp với Tứ Xuyên, Trùng Khánh ở phía nam; giáp với Nội Mông ở phía bắc. Nguyên điểm của đất liền Trung Quốc nằm ở trấn Vĩnh Lạc, huyện Kính Dương của tỉnh Thiểm Tây.[24]

Diện tích Thiểm Tây là khoảng 205.800 km², chiều dài bắc-nam là khoảng 870 km, chiều dài đông-tây là khoảng 200–500 km.[24] Thiểm Tây có hình dạng lãnh thổ hẹp và dài, địa thế cao ở nam và bắc, thấp ở trung gian. Thiểm Tây có nhiều loại địa hình: cao nguyên, núi non, đồng bằng, bồn địa. Có thể phân Thiểm Tây thành vùng cao nguyên Hoàng Thổ ở Thiểm bắc, đồng bằng Quan Trung, vùng núi Tần-Ba và thung lũng Hán Giang ở Thiểm Nam. Trong đó, diện tích cao nguyên là 92.600 km², diện tích vùng núi là 74.100 km², diện tích vùng đồng bằng là 391.000 km².[24] Các dãy núi chủ yếu tại Thiểm Tây là Tần Lĩnh và Đại Ba Sơn. Đoạn Tần Lĩnh trên địa phận Thiểm Tây có độ cao từ 1000-3000 mét với nhiều đỉnh núi nổi tiếng tại Trung Quốc như: Hoá Sơn, Thái Bạch Sơn, Chung Nam Sơn, Ly Sơn. Đại Ba Sơn nằm ở cực nam của Thiểm Tây với độ cao từ 1.500-2.000 mét. Vùng cao nguyên Hoàng Thổ ở Thiểm Bắc có độ cao từ 800-1.300 mét. Vùng đồng bằng Quan Trung kéo dài từ Bảo Kê về phía đông đến Đồng Quan với độ cao trung bình là 520 mét.[25]

Khu vực phía bắc Tần Lĩnh của Thiểm Tây thuộc lưu vực Hoàng Hà, chiếm 63,3% diện tích và 29% tổng lượng tài nguyên nước của Thiểm Tây. Các chi lưu của hệ thống Hoàng Hà tại Thiểm Tây chủ yếu có hướng bắc-nam: Quật Dã Hà, Vô Định Hà, Diên Hà, Lạc Hà, Kính Hà (chi lưu của Vị Hà), Vị Hà. Khu vực phía nam Tần Lĩnh của Thiểm Tây thuộc lưu vực Trường Giang, chiếm 36,7% diện tích và 71% tổng lượng tài nguyên nước của Thiểm Tây. Các sông lớn thuộc hệ thống Trường Giang trên địa phận Thiểm Tây là Gia Lăng Giang, Hán Giang, Đan Giang. Tổng lượng tài nguyên nước trung bình năm của Thiểm Tây là 41,649 tỷ m³, có năm lên đến 84,7 tỷ m³ song có năm chỉ được 16,8 tỷ m³.[25]

Tần Lĩnh, dãy núi phân định khí hậu phía bắc và Nam Trung Quốc, chạy dọc theo chiều đông-tây của Thiểm Tây. Thiểm Tây được phân thành ba vùng khí hậu, có sự khác biệt lớn giữa bắc và nam. Khu vực Thiểm Nam thuộc vùng khí hậu cận nhiệt đới gió mùa, Quan Trung và đại bộ phận Thiểm Bắc thuộc vùng khí hậu ôn đới ấm, khu vực dọc theo Vạn Lý Trường Thành ở bắc bộ của Thiểm Bắc thuộc vùng ôn đới lạnh (ôn đới trung). Nhìn chung, khí hậu Thiểm Tây có đặc điểm là: mùa xuân ấm và khô ráo, lượng giáng thủy khá thấp, nhiệt độ tăng nhanh song bất ổn định, nhiều gió cát; mùa hè có nhiệt độ cao và nhiều mưa, song cũng có lúc tái khô hạn; mùa thu mát dễ chịu với độ ẩm tương đối thấp, nhiệt độ hạ nhanh chóng; mùa đông rét lạnh lẽo và khô hanh, nhiệt độ thấp, có rất ít mưa tuyết. Nhiệt độ trung bình năm của Thiểm Tây là 13,7 °C, giảm dần từ nam đến bắc, từ đông sang tây: nhiệt độ trung bình năm của Thiểm Bắc là 7 °C-12 °C, nhiệt độ trung bình năm của Quan Trung là 12 °C-14 °C, nhiệt độ trung bình năm của Thiểm Nam là 14 °C-16 °C. Nhiệt độ trung bình tháng 1 của Thiểm Tây là -11 °C đến 3 °C, nhiệt độ trung bình tháng 7 là 21 °C-28 °C. Mỗi năm, Thiểm Tây có từ 160-250 ngày không có sương giá, nhiệt độ thấp kỷ lục là -32,7 °C, nhiệt độ cao kỷ lục là 42 °C.[24] Lượng giáng thủy bình quân hàng năm của Thiểm Tây là 702,1 mm, biến đổi từ 340–1240 mm. Khoảng 60-70% lượng giáng thủy tập trung vào khoảng thời gian từ tháng 7 đến tháng 10, thường gây nên lũ lụt, còn hai mùa xuân và hè thường bị hạn hán. Lượng giáng thủy tại Thiểm Tây giảm từ nam lên bắc: Thiểm Nam là vùng ẩm ướt, Quan Trung là vùng bán ẩm còn Thiểm Bắc là vùng bán khô hạn.