Thanh Hoá là một trong số ít các tỉnh ở nước ta có nguồn tài nguyên khoáng sản rất phong phú và đa dạng, có những tiền đề địa chất khá thuận lợi cho các quá trình tạo khoáng. Kết quả điều tra đến nay cũng đã cho thấy lãnh thổ Thanh Hoá có nhiều loại hình khoáng sản khác nhau, bao gồm:
- Kim loại sắt và hợp kim sắt: Có quặng sắt, sắt - mangan và sa khoáng. Các mỏ quan trọng là Thanh Kỳ (Như Xuân, trữ lượng 2,5 triệu tấn), Tam Quy (Hà Trung, trữ lượng gần 200.000 tấn), Làng Sam (Ngọc Lặc, trữ lượng ước 600.000 tấn), mỏ sắt - mangan Cổ Định trữ lượng ước trên 9 triệu tấn; quặng inmenit có ở bờ biển Sầm Sơn - Quảng Xương trữ lượng 73.500 tấn; quặng crômit dạng sa khoáng ở Cổ Định (Triệu Sơn) trữ lượng khoảng 18,6 triệu tấn đã được phát hiện và khai thác từ thời Pháp và crômit dạng gốc ở Làng Mun (Ngọc Lặc) trữ lượng có khả năng lớn song chưa xác định. Cromit là loại khoáng sản đặc biệt mà ở Việt Nam thì chỉ riêng Thanh Hoá mới có. Với trữ lượng khai thác hàng năm hiện nay của mỏ chỉ trên 10.000 tấn thì tiềm năng, khả năng phát triển công nghiệp liên quan đến khai thác và chế biến crômit ở Thanh Hoá còn rất nhiều hứa hẹn.
- Kim loại màu và kim loại hiếm: Đã phát hiện thấy 7 mỏ và điểm quặng chì - kẽm, trong đó mỏ Quan Sơn (Tân Trường, huyện Tĩnh Gia) trữ lượng ước tính 121.000 tấn; antimoan có 6 mỏ và điểm quặng phân bố ở Bá Thước, Cẩm Thuỷ, Quan Hoá với trữ lượng phát hiện được là không lớn, song cần điều tra thêm; niken - coban có lẫn trong quặng crômit Cổ Định, trữ lượng khoảng 137.840 tấn niken và 27.570 tấn coban; quặng đồng có ở Lương Sơn (Thường Xuân), nhưng trữ lượng nhỏ; đồng, thiếc và thiếc - vonfram có trữ lượng nhỏ và phân bố ở Thường Xuân (các mỏ Bù Me, làng Tôm và đồi Tròn). Ngoài ra, còn các quặng molipđen, thuỷ ngân ở rải rác nhiều nơi nhưng trữ lượng nhỏ. Riêng quặng vàng, đã phát hiện thấy nhiều mỏ và điểm khoáng sản vàng ở nhiều nơi thuộc Như Xuân, Thường Xuân, Ngọc Lặc, Quan Hoá, Thạch Thành, Cẩm Thuỷ, Bá Thước. Đó là các loại khoáng hoá vàng hoặc vàng gốc thuộc thành hệ thạch anh - vàng - sunfua, đa kim, tồn tại trong các đới dập vỡ, thành mạch riêng của các đá phun trào axit hoặc trong đá vôi. Nhiều điểm mỏ đã được điều tra kỹ như mỏ Ban Công ở Bá Thước trữ lượng cấp C1 đạt 321kg, mỏ Cẩm Quỳ (Cẩm Thủy) trữ lượng cấp C1 đạt 263kg, mỏ Làng Bẹt (Cẩm Thuỷ) trữ lượng cấp C1 đạt 150kg. Ngoài ra, còn rất nhiều mỏ khác như vàng gốc Cẩm Tân (Cẩm Thủy), vàng gốc làng Nèo, Ban Công (Bá Thước), Eo Khanh, Thạch Cẩm (Thạch Thành), Xuân Chính, Xuân Thắng (Thường Xuân), Thanh Quân (Như Xuân), vàng sa khoáng còn có ở nhiều nơi thuộc huyện Như Xuân, Thường Xuân, Bá Thước, Thạch Thành, Cẩm Thủy.
- Nguyên liệu hoá chất - phân bón: Có secpentin phân bố ở khu vực núi Nưa, là nguồn nguyên liệu quý cho sản xuất phân lân, với trữ lượng 15 triệu tấn và hiện đang khai thác tại bãi Áng (Nông Cống); quặng photphorit có ở Cao Thịnh (Ngọc Lặc) có trữ lượng 74.698 tấn, Hàm Rồng (thành phố Thanh Hoá) có trữ lượng 24.500 tấn, Cao Thịnh - Yên Lâm có trữ lượng 125.000 tấn; quặng đôlômit ở núi Long (thành phố Thanh Hoá) có trữ lượng 4,7 triệu tấn và đồng Vựa (Nga An, huyện Nga Sơn), có trữ lượng 1 triệu tấn. Ngoài ra, photphorit còn có ở nhiều nơi khác trong tỉnh như ở huyện Thường Xuân, Thọ Xuân, Cẩm Thuỷ, Hà Trung. Đôlômit cũng rất phong phú ở Ngọc Long (thành phố Thanh Hoá), Nhân Sơn (huyện Nga Sơn), đây là nguyên liệu trợ dụng cho sản xuất thép, thuỷ tinh ở lò cao. Pyrit cũng có ở nhiều nơi trong tỉnh, là nguyên liệu tốt cho việc sản xuất một số loại hoá chất, hoặc barit là vật liệu cần thiết cho một số ngành sản xuất (như khoan dầu khí, chế tạo cao su...) song trữ lượng còn chưa được đánh giá cụ thể.
- Nguyên liệu cho sản xuất sành, sứ, thuỷ tinh và vật liệu xây dựng: Có cao lanh với tổng trữ lượng ước tính 5 triệu tấn và phân bố ở bến Đìn, làng Cày (Thường Xuân), làng En (Lang Chánh), Kỳ Tân (Bá Thước), Quyền Cây (Bỉm Sơn); sét trắng có trữ lượng nhỏ và phân bố ở núi Bợm (Tĩnh Gia), Tập Cát (Minh Thọ, Nông Cống); quặng macsalit ở Đồng Khang (Triệu Sơn) khoảng 4,3 triệu tấn, Các Sơn (Tĩnh Gia), Mỹ Tân (Ngọc Lặc); quặng fenspat có ở núi Trường Lệ (Sầm Sơn) và núi Hoằng Trường (Hoằng Hoá); cát thuỷ tinh có trữ lượng hàng chục triệu tấn và phân bố ở Tĩnh Gia; đá, cát, sỏi, sét xây dựng có trữ lượng rất lớn và phân bố khá rộng rãi ở nhiều vùng; quặng puzơlan ở Thăng Long (Nông Cống), trữ lượng 4,7 triệu tấn; cát kết chịu lửa ở núi Bợm (Tĩnh Gia); đá hoa có ở nhiều nơi, đáng chú ý là đá hoa khe Cang, Na Mèo (huyện Quan Sơn), Trung Sơn (huyện Quan Hoá), Định Thành (Yên Định), Yên Duyên (Bỉm Sơn), núi Vức (Đông Sơn); đá vôi làm xi măng trữ lượng trên 370 triệu tấn, chất lượng tốt và phân bố khá rộng rãi.
- Nhiên liệu: Than bùn có ở tất cả các huyện với tổng trữ lượng 3 triệu tấn; than đá có trữ lượng nhỏ và phân bố ở Cẩm Yên, Cẩm Ngọc, Cẩm Phú, Phúc Mỹ (Cẩm Thuỷ), Tuy Hoá (Đông Sơn), Hà Long (Hà Trung), v.v..
Ngoài ra, Thanh Hoá còn một số loại khoáng sản khác: thạch anh tinh thể ở Thường Xuân; đá quý như topa, canxedoan, berin ở Thường Xuân; graphit ở Quan Hoá; nước khoáng ở một số điểm thuộc các huyện Thường Xuân, Bá Thước, Lang Chánh và Quan Hoá.