ภูมิประเทศของภาคเหนือประกอบไปด้วยเทือกเขาน้อยใหญ่สลับซับซ้อน และมีพื้นที่สำคัญของประเทศหลายจุด เช่น พื้นที่ทางด้านตะวันตกสุดของประเทศที่อำเภอแม่สะเรียง จังหวัดแม่ฮ่องสอน พื้นที่ทางด้านเหนือสุดของประเทศที่อำเภอแม่สาย จังหวัดเชียงราย จุดสูงสุดของประเทศที่ดอยอินทนนท์ จังหวัดเชียงใหม่ นอกจากนี้ ภาคเหนือยังเป็นพื้นที่แรกของประเทศที่แม่น้ำโขงไหลผ่าน โดยจุดแรกที่แม่น้ำโขงไหลผ่านประเทศไทยอยู่บริเวณสามเหลี่ยมทองคำ อำเภอเชียงแสน จังหวัดเชียงราย

ภาคเหนือมีพื้นที่รวมทั้งหมด 93,690.85 ตารางกิโลเมตร คิดเป็นสัดส่วนร้อยละ 0.06 ของพื้นที่บนผิวโลก

เขตแดนติดกับประเทศเพื่อนบ้านและภูมิภาคอื่น ๆ ของภาคเหนือ เรียงตามเข็มนาฬิกา ได้แก่ ทิศตะวันตกและทิศเหนือติดกับประเทศพม่า ทิศเหนือและทิศตะวันออกติดกับประเทศลาว ทิศใต้ติดกับภาคกลาง พื้นที่จังหวัดพิษณุโลก และ สุโขทัย ทางด้านตะวันตกเฉียงใต้มีพื้นที่ติดกับภาคตะวันตก บริเวณจังหวัดตาก