黄河流域西界巴颜喀拉山，北抵阴山，南至秦岭，东注渤海。流域内地势西高东低，高差悬殊，形成自西而东、由高及低三级阶梯。
最高一级阶梯是黄河河源区所在的青海高原，位于著名的“世界屋脊”——青藏高原东北部，平均海拔4000米以上，耸立着一系列北西——南东向山脉，如北部的祁连山，南部的阿尼玛卿山和巴颜喀拉山。黄河迂回于山原之间，呈“S”形大弯道。河谷两岸的山脉海拔5500～6000米，相对高差达1500～2000米。雄踞黄河左岸的阿尼玛卿山主峰玛卿岗日海拔6282米，是黄河流域最高点，山顶终年积雪，冰峰起伏，景象万千。
巴颜喀拉山北麓的约古宗列盆地，是黄河源头，玛多以上黄河河源区河谷宽阔，湖泊众多。黄河出鄂陵湖，蜿蜒东流，从阿尼玛卿山和巴颜喀拉山之间穿过，至青川交界处，形成第一道大河湾；祁连山脉横亘高原北缘，构成青藏高原与内蒙古高原的分界。
第二级阶梯地势较平缓，黄土高原构成其主体，地形破碎。这一阶梯大致以太行山为东界，海拔1000～2000米。白于山以北属内蒙古高原的一部分，包括黄河河套平原和鄂尔多斯高原两个自然地理区域。白于山以南为黄土高原，南部有崤山、熊耳山等山地。
河套平原西起宁夏中卫、中宁，东至内蒙古托克托，长达750公里，宽50公里，海拔1200～900米。河套平原北部阴山山脉高1500余米，西部贺兰山、狼山主峰海拔分别为3554米、2364米。这些山脉犹如一道道屏障，阻挡着阿拉善高原上腾格里、乌兰布和等沙漠向黄河流域腹地的侵袭。
鄂尔多斯高原的西、北、东三面均为黄河所环绕，南界长城，面积13万平方公里。除西缘桌子山海拔超过2000米以外，其余绝大部分海拔为1000～1400米，是一块近似方形的台状干燥剥蚀高原，风沙地貌发育。库布齐沙漠逶迤于高原北缘，毛乌素沙漠绵延于高原南部，沙丘多呈固定或半固定状态。高原内盐碱湖泊众多，降雨地表径流汇入湖中，成为黄河流域内的一片内流区，面积达42200多平方公里。
黄土高原北起长城，南界秦岭，西抵青海高原，东至太行山脉，海拔1000～2000米。黄土塬、梁、峁、沟是黄土高原的地貌主体。塬是边缘陡峻的桌状平坦地形，地面广阔，适于耕作，是重要的农业区。塬面和周围的沟壑统称为黄土高原沟壑区。梁呈长条状垄岗，峁呈圆形小丘。梁和峁是为沟壑分割的黄土丘陵地形，称黄土丘陵沟壑区。塬面或峁顶与沟底相对高差变化很大，由数十米至二三百米。黄土土质疏松，垂直节理发育，植被稀疏，在长期暴雨径流的水力侵蚀和重力作用下，滑坡、崩塌、泻溜极为频繁，成为黄河泥沙的主要来源地。
汾渭盆地，包括晋中太原盆地、晋南运城——临汾盆地和陕西关中盆地。太原盆地、运城——临汾盆地最宽处达40公里，由北部海拔1000米逐渐降至南部500米，比周围山地低500～1000米。关中盆地又名关中平原或渭河平原，南界秦岭，北迄渭北高原南缘，东西长约360公里，南北宽30.80公里，土地面积约3万平方公里，海拔360～700米。这些盆地内有丰富的地下水和山泉河，土质肥沃，物产丰富，素有“米粮川”、“八百里秦川”等美名。
横亘于黄土高原南部的秦岭山脉，是我国自然地理上亚热带和暖温带的南北分界线，是黄河与长江的分水岭，也是黄土高原飞沙不能南扬的挡风墙。
崤山、熊耳山、太行山山地（包括豫西山地），处在此阶梯的东南和东部边缘。豫西山地由秦岭东延的崤山、熊耳山、外方山和伏牛山组成，大部分海拔在1000米以上。崤山余脉沿黄河南岸延伸，通称邙山（或南邙山）。熊耳山、外方山向东分散为海拔600～1000米的丘陵。伏牛山、嵩山分别是黄河流域同长江、淮河流域的分水岭。太行山耸立在黄土高原与华北平原之间，最高岭脊海拔1500～2000米，是黄河流域与海河流域的分水岭，也是华北地区一条重要的自然地理界线。
第三级阶梯地势低平，绝大部分为海拔低于100米的华北大平原。包括下游冲积平原、鲁中丘陵和河口三角洲。鲁中低山丘陵海拔500～1000米。
下游冲积平原系由黄河、海河和淮河冲积而成，是中国第二大平原。它位于豫东、豫北、鲁西、冀南、冀北、皖北、苏北一带，面积达25万平方公里。本阶梯除鲁中丘陵外，地势平缓，微向沿海倾斜。黄河冲积扇的顶端在沁河河口附近，海拔约100米，向东延展海拔逐渐降低。
黄河流入冲积平原后，河道宽阔平坦，泥沙沿途沉降淤积，河床高出两岸地面3—5米，甚至10米，成为举世闻名的“地上河”。平原地势大体上以黄河大堤为分水岭，以北属海河流域，以南属淮河流域。
鲁中丘陵由泰山、鲁山和沂山组成，海拔400～1000米，是黄河下游右岸的天然屏障。主峰泰山山势雄伟，海拔1524米，古称“岱宗”，为中国五岳之长。山间分布有莱芜、新泰等大小不等的盆地平原。
黄河河口三角洲为近代泥沙淤积而成。地面平坦，海拔在10米以下，濒临渤海湾。以利津县的宁海为顶点，大体包括北起徒骇河口，南至支脉沟口的扇形地带，黄河尾阊在三角洲上来回摆动，海岸线随河口的摆动而延伸。近百年来，黄河填海造陆，形成大片新的陆地。
黄河流域幅员辽阔，山脉众多，东西高差悬殊，各区地貌差异也很大。又由于流域处于中纬度地带，受大气环流和季风环流影响的情况比较复杂，因此，流域内不同地区气候的差异显著，气候要素的年、季变化大，流域气候有以下主要特征。
黄河流域的日照条件在全国范围内属于充足的区域，全年日照时数一般达2000～3300小时；全年日照百分率大多在50%～75%之间；仅次于日照最充足的柴达木盆地，而较黄河以南的长江流域广大地区普遍偏多l倍左右。
黄河流域的太阳总辐射量在全国介于中间状况，北纬37°以北地区和东经103°以西的高原地带，为130～160千卡/平方厘米·年；其余大部分地区为110～130千卡/平方厘米·年，虽然不及国内西南部，尤其是青藏高原地区强，但普遍多于东北地区和黄河以南地区，为我国东部地区的辐射强区。
黄河流域地区季节差别大，上游青海省久治县以上的河源地区为“全年皆冬”；久治至兰州区间及渭河中上游地区为“长冬无夏，春秋相连”；兰州至龙门区间为“冬长（六七个月）、夏短（一二个月）”；流域其余地区为“冬冷夏热，四季分明”。
黄河流域气温的年较差比较大，总趋势是北纬370以北地区在31～37℃之间，北纬370以南地区大多在21～31℃之间。
黄河流域气温的日较差也比较大，尤其中上游的高纬度地区，全年各季气温的日较差为13～16.5℃，均处于国内的高值区或次高值区。
流域大部分地区年降水量在200～650毫米之间，中上游南部和下游地区多于650毫米。尤其受地形影响较大的南界秦岭山脉北坡，其降水量一般可达700～1000毫米，而深居内陆的西北宁夏、内蒙古部分地区，其降水量却不足150毫米。降水量分布不均，南北降雨量之比大于5，这是我国其他河流所不及的。
流域冬干春旱，夏秋多雨，其中6～9月降水量占全年的70%左右；盛夏7～8月降水量可占全年降水总量的四成以上。流域降水量的年际变化也十分悬殊，年降水量的最大值与最小值之比约为1.7～7.5，变差系数Cv变化在0.15～0.4之间。
黄河中上游是国内湿度偏小的地区，例如吴堡以上地区，平均水汽压不足8百帕，相对湿度在60%以下。特别是上游宁夏、内蒙古境内和龙羊峡以上地区，年平均水汽压不足6百帕；兰州至石嘴山区间的相对湿度小于50%。
黄河流域蒸发能力很强，年蒸发量达1100毫米。上游甘肃、宁夏和内蒙古中西部地区属国内年蒸发量最大的地区，最大年蒸发量可超过2500毫米。
冰雹是黄河流域的主要灾害性天气之一。据统计，黄河上游兰州以上地区和内蒙古境内全年冰雹日数多超过2天，其中东经1000以西的广大地区多于5天，特别是玛曲以上和大通河上游地区多达15～25天，成为黄河流域冰雹最多的区域，也是国内的冰雹集中区。
沙暴和扬沙主要由大风所引起，并且与当地（或附近）的地质条件及植被状况密切相关。据统计，流域的宁夏、内蒙古境内及陕北地区，由于多年平均大风日数均在30天以上，区域内又有腾格里沙漠、乌兰布和沙漠和毛乌素沙漠，全年沙暴日数大多在10天以上，扬沙日数超过20天；有些年份沙暴最多可达30～50天，扬沙日数超过50天。此外，在汾河上游和小浪底以下沿黄的河南省境内，还各有一个年沙暴或扬沙日数超过20天的区域，后者主要与黄河较大范围沙滩地的存在有关。
黄河流域初霜日由北至南、从西向东逐步开始，并且同纬度的山区早于平原、河谷和沙漠。如黄河上游唐乃亥以上初霜日平均在8月中、下旬，而黄河中下游一般在10月上、中旬；流域其余地区在9月份。流域终霜日迟早的分布特点与初霜日正好相反，黄河下游平原地区较早，平均在3月下旬，而上游唐乃亥以上地区则晚至8月上、中旬，其余地区介于两者之间。
由此可见，黄河流域无霜期较短，即使是黄河下游平原地区，其无霜日也只有200天左右；而上游久治以上地区平均不足20天，可以说基本上全年有霜；流域其余地区介于两者之间。
黄河孕育了中华文明，早在石器时代，就形成了中国最早的新石器文明，比如蓝田文明、半坡文明出现在黄河支流渭河；龙山文明出现在山东半岛等等。6000多年前，流域内已开始出现农事活动。大约在4000多年前，流域内形成了一些血缘氏族部落，其中以炎帝、黄帝两大部族最强大。后来，黄帝取得盟主地位，并融合其它部族，形成“华夏族”。世界各地的炎黄子孙，都把黄河流域认作中华民族的摇篮，称黄河为“母亲河”，为“四渎之宗”，视黄土地为自己的“根”。
从公元前21世纪夏朝开始，4000多年的历史时期中，历代王朝在黄河流域建都的时间延绵3000多年。中国历史上的“七大古都”，在黄河流域和近邻地区的有安阳、西安、洛阳、开封四座。殷都（当时属黄河流域）遗存的大量甲骨文，开创了中国文字记载的先河。西安（含咸阳），自西周、秦、汉至隋、唐，先后有13个朝代建都，历史长达千年，是有名的“八水帝王都”。东周迁都洛阳以后，东汉、魏、隋、唐、后梁、后周等朝代都曾在洛阳建都，历时也有900多年，被誉为“九朝古都”。在相当长的历史时期，中国的政治、经济、文化中心一直在黄河流域。黄河中下游地区是全国科学技术和文学艺术发展最早的地区。公元前2000年左右，流域内已出现青铜器，到商代青铜冶炼技术已达到相当高的水平，同时开始出现铁器冶炼，标志着生产力发展到一个新的阶段。在洛阳出土的经过系列处理的铁锛、铁斧，表明中国开发铸铁柔化技术的时间要比欧洲各国早2000多年。中国古代的“四大发明”——造纸、活字印刷、指南针、火药，都产生在黄河流域。从诗经到唐诗、宋词等大量文学经典，以及大量的文化典籍，也都产生在这里。北宋以后，全国的经济重心逐渐向南方转移，但是在中国政治、经济、文化发展的进程中，黄河流域及黄河下游平原地区仍处于重要地位。