黑龍江南北跨2個熱量帶；東西跨3個溼潤區，面積47.3萬平方公里（含加格達奇區和松嶺區）。北部和東部與俄羅斯相鄰，邊境線長3045千米，是亞洲與太平洋地區陸路通往俄羅斯遠東和歐洲大陸的重要通道，西部與南部分別與內蒙古和吉林省相鄰，東部近日本海，是中國位置最北、最東，緯度最高，經度最東的省份。
西北部為東北—西南走向的大興安嶺山地，北部為西北—東南走向的小興安嶺山地，中間以伊勒呼裡山為連接；東南部為東北—西南走向的張廣才嶺、老爺嶺、完達山，土地約佔全省總面積的24.7%；海拔高度在300米以上的丘陵地帶約佔全省的35.8%；東北部的三江平原、西部的松嫩平原，是中國面積最大的平原—東北平原的一部分，平原佔全省總面積的37.0%，平均海拔為50～200米。省內最高點是海拔1690米的大禿頂子山。
全省年降水量多介於 400～650mm之間，中部山區多，東部次之，西、北部少。在一年內，生長季降水約為全年總量的83%～94%。降水資源比較穩定，全省太陽輻射資源比較豐富，與長江中下游相當，太陽輻射的時空分佈特點是南多北少，夏季最多， 冬季最少，西南部大風日數最多、風能資源豐富。
黑龍江省是全國最大的林業省份之一，天然林資源是黑龍江省森林資源的主體，主要分佈在大小興安嶺和長白山脈及完達山。黑龍江林業經營總面積3175萬公頃，佔全省土地面積的2/3。有林地面積2007萬公頃，活立木總蓄積15億立方米，森林覆蓋率達43.6%，森林面積、森林總蓄積和木材產量均居全國前列，是國家最重要的國有林區和最大的木材生產基地。
黑龍江省是國家重要的能源工業基地，是主煤炭調出省之一。其中東部地區為優質煤炭產區，有雞西、鶴崗、雙鴨山及七臺河四大煤礦，是我國煤油焦煤的重要產區之一，省內有目前中國最大的油田—大慶油田。
黑龍江省連綿起伏的大興安嶺、小興安嶺和張廣才嶺、老爺嶺構成了全省以山林為主的自然景觀，全省林地面積佔整個土地面積的近一半。此外，還有松嫩平原和三江平原，在這些複雜的地域中分佈著大約2100餘種的植物，其中具有經濟價值的達1 000餘種。
黑龍江地處黑龍江、松花江、烏蘇里江和綏芬河四大水系組成的黑龍江流域，主要河流有松花江、嫩江、烏蘇里江、牡丹江、呼蘭河、螞蟻河、海浪河、呼瑪河、額木爾河、訥謨爾河、湯旺河、拉林河、烏斯渾河、烏裕爾河等；主要湖泊有興凱湖、鏡泊湖、連環湖和五大連池4處較大湖泊及星羅棋佈的泡沼。
黑龍江省大部分區域處於中溫帶，山區冬季雪量大，雪期長（120天左右），雪質好，適於滑雪旅遊。滑雪資源主要集中在四大區域：哈爾濱市、伊春市、牡丹江市和大興安嶺地區。黑龍江省夏季涼爽，適宜避暑。夏都哈爾濱是避暑勝地。眾多的江河湖泊和浩瀚的林區也是避暑的好去處。
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