全国的に知名度が高い別府温泉や由布院温泉をはじめとする多くの温泉を有し、源泉数（4,445か所）、湧出量（279,253リットル/分）ともに日本一であり 、「日本一のおんせん県おおいた」をキャッチフレーズに温泉をアピールしている。
山地の占める割合が大きく、西部には九重連山、南部には祖母山・傾山がそびえる。このうち九重連山の中岳は九州本土の最高峰である。平野部は北部の中津平野、中部の大分平野、南部の佐伯平野など限られた地域に分布している。海岸部は、北部から西部で瀬戸内海（西部は周防灘（豊前海）と呼ばれる）に面する。中部では豊後水道を挟んで四国地方に接しており、その最狭部の豊予海峡の幅は10キロメートルほどである。南部の日豊海岸にはリアス式海岸が発達しており、日豊海岸国定公園に指定された景観が楽しめる。
江戸時代に編纂された『豊後国志』1803年）は最初の総合的地誌として名高い。
北部（中津市・宇佐市・豊後高田市・国東市・姫島村） - 瀬戸内海式気候に属するが、冬季は関門海峡からの北西の季節風の影響を受け曇りの日が多い。
中部（杵築市・日出町・別府市・大分市・由布市・臼杵市・津久見市） - 北西部にある山地の影響で、冬季は北部や西部に比べて天気がよい。
西部（日田市・玖珠町・九重町・竹田市） - 内陸部に位置するため夏季は雷雨が多い。秋から初冬にかけて盆地で霧が発生する。
南部（豊後大野市・佐伯市） - 県内では最も温暖多雨で、夏季に大雨が降ることがある。冬季は晴天が多い。