Ả Rập Xê Út chiếm khoảng 80% bán đảo Ả Rập (bán đảo lớn nhất thế giới),[186] nằm giữa vĩ tuyến 16° Bắc và 33° Bắc, giữa kinh tuyến 34° Đông và 56° Đông. Do biên giới phía nam của quốc gia với Các Tiểu vương quốc Ả Rập Thống nhất và Oman không được phân giới chính xác, kích thước thực tế của vương quốc này chưa được xác định.[186] CIA World Factbook ước tính diện tích Ả Rập Xê Út là 2.149.690 km2 (830.000 sq mi) và xếp hạng là quốc gia rộng thứ 13 thế giới.[187] Về phương diện địa lý, đây là quốc gia lớn nhất trên mảng Ả Rập.[188]

Hoang mạc Ả Rập cùng các bán hoang mạc và vùng cây bụi có liên hệ với nó chi phối địa lý Ả Rập Xê Út. Thực tế, hoang mạc mạc Ả Rập là một số sa mạc liên kết với nhau và bao gồm 647.500 km² Rub' al Khali ("miền hoang vu") tại phần phía nam của vương quốc, là sa mạc với các đụn cát liền kề lớn nhất thế giới.[84][189] Hầu như không có sông hồ tại Ả Rập Xê Út, song có một số wadi (thung lũng sông thường xuyên khô hạn). Một vài khu vực phì nhiêu hình thành nhờ bồi tích tại các wadi, bồn địa, và ốc đảo.[84] Đặc điểm địa hình chính là cao nguyên trung tâm, cao lên đột ngột từ biển Đỏ và dần thấp xuống Nejd và hướng ra vịnh Ba Tư. Tại duyên hải biển Đỏ, có một đồng bằng duyên hải hẹp gọi là Tihamah. Vùng Asir thuộc miền tây nam có địa hình núi non, tại đó có núi Sawda cao 3.133 m, là đỉnh cao nhất toàn quốc.[84]

Ngoại trừ vùng Asir, Ả Rập Xê Út có khí hậu sa mạc với nhiệt độ ban ngày cực kỳ cao và giảm nhiệt độ đột ngột vào ban đêm. Nhiệt độ trung bình vào mùa hè là khoảng 45 °C, song có thể cao đến 54 °C. Trong mùa đông, nhiệt độ hiếm khi xuống dưới 0 °C. Trong mùa xuân và mùa thu, sức nóng dịu đi với nhiệt độ trung bình khoảng 29 °C. Lượng mưa hàng năm cực kỳ thấp. Riêng vùng Asir chịu ảnh hưởng từ gió mùa Ấn Độ Dương thường xuất hiện từ tháng 10 đến tháng 3. Lượng mưa trung bình của vùng trong giai đoạn này là 300 mm, chiếm khoảng 60% lượng mưa hàng năm.[190]

Đời sống động vật gồm các loài như chó sói Ả Rập, linh cẩu vằn, cầy Mangut, khỉ đầu chó, thỏ sa mạc, chuột cát, chuột nhảy. Các loài động vật lớn như linh dương Gazelle, linh dương sừng kiếm, và báo có số lượng tương đối nhiều cho đến thập niên 1950, song săn bắn bằng ô tô làm giảm số lượng các loài này đến mức gần tuyệt chủng. Các loài chim bao gồm chim cắt (bị bắt và huấn luyện để săn bắt), đại bàng, diều hâu, kền kền, gà gô cát và chào mào. Ả Rập Xê Út có một số loài rắn trong đó nhiều loài có độc, và một số loài thằn lằn. Hệ sinh vật biển tại vịnh Ba Tư đa dạng. Các động vật được thuần hoá gồm lạc đà một bướu, dê, cừu, lừa và gà. Do có điều kiện sa mạc, hệ thực vật Ả Rập Xê Út hầu hết là các cây thân thảo và cây bụi nhỏ cần ít nước. Cũng có một số khu vực đồng cỏ và cây với quy mô nhỏ tại miền nam Asir. Chà là là loài cây phổ biến.[84]