La provincia pertenece a la región de la Patagonia y se encuentra dividida en dos subregiones; los Andes Patagónicos, al oeste, y la Patagonia Extrandina en el centro y este del territorio.

Relieve
La geografía de Santa Cruz presenta dos zonas bien diferenciadas: la Cordillera de los Andes por un lado, y las mesetas y altiplanicies por el otro. En la provincia la altura de los Andes es menor que la de los tramos septentrionales de la Cordillera. La cadena montañosa se encuentra atravesada por lagos y valles transversales.

Los picos más elevados son los montes San Lorenzo, de 3.706 m., y Fitz Roy, de 3.405 m. También se encuentran otras alturas menores como Francisco Moreno, de 3.393 m., Agassiz, de 3.180 m., Zeballos, de 2.743 m., y Huemul, de 2.677 m.

El área se caracteriza por la presencia de grandes masas heladas, como el Campo de Hielo Continental, que ocupa una superficie de 2.900 km2.

Entre los 490 sur y los 50° sur se encuentran más de 350 glaciares que descienden hacia el océano Pacífico y los lagos patagónicos. Los principales glaciares son el Perito Moreno, el Upsala, el Gran Nunatak, el Bertachi, el Cono, elViedma y el Riso Patrón. Desde la cordillera hasta la costa la altura del terreno, que presenta la forma de mesetas con cañadones aptos para el pastoreo, va descendiendo gradualmente.

La región costera es muy accidentada, presenta golfos como el de San Jorge, bahías como la de San Julián, Desvelos y Grande, además de cabos, entre los que se encuentran el de Tres Puntas, el Guardián y el Vigía.

Hidrografía
Los principales ríos de la provincia son el Santa Cruz, el Coig o Coyle, el Gallegos y el río Chico, los cuales desembocan en el Mar Argentino. Estas vías fluviales por lo general nacen en la región andina y presentan dos crecidas anuales, una provocada por la fusión de las nieves y otra por las abundantes lluvias que se registran en otoño e invierno.

A medida que se internan en la región de mesetas sus caudales disminuyen. El territorio santacruceño presenta numerosos lagos, entre los que se destacan el San Martín, Argentino, Buenos Aires, Viedma y Cardiel.

Clima
En la región andina del oeste de Santa Cruz Geografía y Clima es frío y húmedo, con temperaturas medias de 10°C en el verano y de -5°C en el invierno.

En las mesetas del este provincial Geografía y Clima es árido frío, con veranos cortos y templados cuya marca térmica media es de 20°C e inviernos rigurosos, con temperaturas que oscilan entre 0°C y 50C.

Durante la primavera y el verano en el territorio soplan fuertes vientos del sur y suroeste.