Bölgede, çeşitli jeolojik zamanlara ait araziler bulunmakla birlikte, daha çok III. jeolojik zamanda oluşmuş araziler yer alır. Dağlar kıyıya paralel uzanır. Bu dağlara Karadeniz Dağları ya da Kuzey Anadolu Dağları adı verilir. Kuzey Anadolu Dağları kıyı ve iç sıra dağları olarak ikiye ayrılır. Bu iki sıradağ kuşağını Kuzey Anadolu Fay Hattı birbirinden ayırır.
Akarsu açısından en zengin bölgelerimizden birisi olup, Karadeniz Bölgesi’nden çıkan sular Karadeniz’e dökülmektedir. Türkiye’nin en uzun nehri Kızılırmak, bölgenin Orta Karadeniz bölümü kıyısında denize dökülmektedir. Sakarya Nehri de Marmara Bölgesi sınırları içinde denize dökülmektedir.

Karadeniz Bölgesi sınırları içinde birçok dogal ve yapay göl vardır. Başlıca doğal göller Çağa, Melen (Efteni) ve Abant gölleridir.