Thanh Hoá có địa hình khá phức tạp, bị chia cắt nhiều và nghiêng theo hướng Tây Bắc - Đông Nam: Phía Tây Bắc có những đồi núi cao trên 1.000 m đến 1.500 m, thoải dần, kéo dài và mở rộng về phía Đông Nam; đồi núi chiếm trên 3/4 diện tích tự nhiên của cả tỉnh. Địa hình Thanh Hoá có thể chia thành 3 vùng rõ rệt: Vùng núi và trung du, vùng đồng bằng và vùng ven biển với những đặc trưng như sau:

- Vùng núi và trung du

Gắn liền với hệ núi cao phía Tây Bắc và hệ núi Trường Sơn phía Nam, bao gồm 11 huyện: Mường Lát, Quan Sơn, Quan Hoá, Bá Thước, Lang Chánh, Ngọc Lặc, Thường Xuân, Như Xuân, Như Thanh, Cẩm Thuỷ, Thạch Thành, có tổng diện tích là 7064,12 km2, chiếm 71,84% diện tích toàn tỉnh. Độ cao trung bình vùng núi từ 600-700 m, độ dốc trên 250. Ở đây có những đỉnh núi cao như Tà Leo (1.560 m) ở phía hữu ngạn sông Chu, Bù Ginh (1.291 m) ở phía tả ngạn sông Chu. Vùng trung du có độ cao trung bình từ 150-200 m, độ dốc từ 150 - 200 chủ yếu là các đồi thấp, đỉnh bằng, sườn thoải. Đây là vùng có tiềm năng, thế mạnh phát triển lâm nghiệp, cây ăn quả, cây công nghiệp dài ngày, cao sau, mía đường của tỉnh Thanh Hóa.

- Vùng đồng bằng

Vùng đồng bằng có diện tích đất tự nhiên đạt 1906,97 km2, chiếm 17,11% diện tích toàn tỉnh bao gồm các huyện: Thọ Xuân, Yên Định, Thiệu Hoá, Đông Sơn, Triệu Sơn, Nông Cống, Vĩnh Lộc, Hà Trung, TP. Thanh Hoá và thị xã Bỉm Sơn. Đây là vùng được bồi tụ bởi 4 hệ thống sông chính là: Hệ thống sông Mã, sông Bạng, sông Yên, sông Hoạt. Vùng này có độ dốc không lớn, bằng phẳng, độ cao trung bình dao động từ 5 - 15 m so với mực nước biển. Tuy nhiên, một số nơi trũng như Hà Trung có độ cao chỉ khoảng 0 - 1 m. Đặc điểm địa hình vùng này là sự xen kẽ giữa vùng đất bằng với các đồi thấp và núi đá vôi độc lập. Đây là vùng có tiềm năng, thế mạnh phát triển  nghiệp của tỉnh Thanh Hóa.

- Vùng ven biển

Vùng ven biển gồm 06 huyện, thị xã chạy dọc ven bờ biển với chiều dài 102 km từ huyện Nga Sơn, Hậu Lộc, Hoằng Hóa, Sầm Sơn, Quảng Xương đến Tĩnh Gia. Diện tích vùng này là 1.230,67 km2, chiếm 11,05% diện tích tự nhiên toàn tỉnh, địa hình tương đối bằng phẳng; Chạy dọc theo bờ biển là các cửa sông. Vùng đất cát ven biển có địa hình lượn sóng chạy dọc bờ biển, độ cao trung bình 3 - 6 m. Đây là vùng có nhiều tiềm năng để phát triển nông nghiệp (trồng trọt, chăn nuôi gia cầm, nuôi trồng thủy sản), đặc biệt vùng này có bãi tắm Sầm Sơn nổi tiếng và các khu nghỉ mát khác như Hải Tiến (Hoằng Hoá) và Hải Hoà (Tĩnh Gia)... có những vùng đất đai rộng lớn thuận lợi cho việc nuôi trồng thuỷ sản và phát triển các khu công nghiệp (Nghi Sơn), dịch vụ kinh tế biển.

Theo kết quả phúc tra thổ nhưỡng theo phương pháp của FAO- UNESCO, tỉnh Thanh Hoá có 8 nhóm đất chính với 20 loại đất khác nhau và được phân bố như sau:

- Nhóm đất cát: Diện tích 20.247 ha, chiếm 1,82% diện tích tự nhiên, phân bố tập trung ở các huyện ven biển. Đất có thành phần cơ giới nhẹ, nghèo chất dinh dưỡng, khả năng giữ nước, giữ màu kém... nên năng suất cây trồng thấp. Song đất có thành phần cơ giới nhẹ nên dễ canh tác, thích hợp cho nhiều loại cây trồng như hoa màu, cây công nghiệp, cây ăn quả, trồng rừng ven biển... và nuôi trồng thủy sản. Tuy nhiên trong quá trình canh tác cần tăng cường bón phân cho đất và áp dụng các biện pháp cải tạo đất.

- Nhóm đất mặn: Diện tích 21.456 ha, chiếm 1,93% diện tích tự nhiên, phân bố chủ yếu ở vùng ven biển. Đất thường có độ phì nhiêu khá cao, thành phần cơ giới từ trung bình tới thịt nặng, độ pH từ 6,0 - 7,5... thích hợp cho trồng cói, nuôi trồng thuỷ sản và phát triển rừng ngập mặn.

- Nhóm đất phù sa: Diện tích 191.216 ha, chiếm 17,2% diện tích tự nhiên, phân bố chủ yếu ở các vùng đồng bằng, ven biển. Đất có thành phần cơ giới thường là thịt nhẹ, ít chua, giàu chất dinh dưỡng nên có chất lượng tốt, thích hợp với nhiều loại cây trồng, nhất là các loại cây ngắn ngày như lương thực, hoa màu và cây công nghiệp ngắn ngày khác.

- Nhóm đất glây: Diện tích 2.583 ha, chiếm 0,23% diện tích đất tự nhiên. Hầu hết đất đã bị bạc màu cần được cải tạo đưa vào sản xuất nông lâm nghiệp.

- Nhóm đất đen: Diện tích 5.903 ha, chiếm 0,53% diện tích tự nhiên. Đất bị lầy thụt và bùn, cần cải tạo đưa vào sản xuất nông lâm nghiệp. 

- Nhóm đất xám: Diện tích 717.245 ha, chiếm 64,6% diện tích tự nhiên toàn tỉnh, phân bố chủ yếu ở vùng trung du miền núi, thuộc các huyện Quan Hoá, Bá Thước, Như Xuân, Thường Xuân, Cẩm Thuỷ, Ngọc Lặc, Thạch Thành, Lang Chánh... Đất có tầng dầy, dễ thoát nước, thích hợp cho phát triển lâm nghiệp và các cây công nghiệp dài ngày, cây ăn quả như cao su, cà phê, chè, cam, chanh, dứa...

- Nhóm đất đỏ: Diện tích 37.829 ha, chiếm 3,4% diện tích tự nhiên, phân bố ở độ cao trên 700 mét tại các huyện: Quan Hoá, Lang Chánh, Thường Xuân. Nhóm đất này có tầng dày, thành phần cơ giới từ nhẹ đến trung bình, ít chua nên thích hợp với nhiều loại cây trồng và khoanh nuôi tái sinh rừng. Tuy nhiên, do phân bố ở địa hình cao, chia cắt mạnh và dễ bị rửa trôi nên việc khai thác sử dụng gặp nhiều khó khăn và cần có biện pháp bảo vệ đất. 

- Nhóm đất tầng mỏng: Diện tích 16.537 ha, chiếm 1,49% diện tích đất tự nhiên, phân bố chủ yếu ở vùng trung du và các dãy núi độc lập ở đồng bằng ven biển như Nông Cống, Thiện Hoá, Yên Định, Hoằng Hoá, Hà Trung, Hậu Lộc, Tĩnh Gia, Đông Sơn...Đặc điểm của nhóm đất này là có tầng mỏng và bị xãi mòn trơ sỏi đá, trên cần được đầu tư, cải tạo và đưa vào khai thác.

- Đất khác: Diện tích 97.610 ha, chiếm 8,79% diện tích tự nhiên toàn tỉnh, trong đó núi đá vôi là 37.909 ha và ao, hồ, sông suối là 60.701 ha.