Большую часть территории штата занимают Аппалачские горы, проходящие с северо–востока на юго–запад несколькими хребтами, между которыми лежат довольно широкие долины. Юго–восточную часть штата занимает холмистое плато Пидмонт, постепенно поднимающееся в западном направлении до высоты 300 метров над уровнем моря. К северо–западу и западу от входящих в состав Аппалачей Аллеганских гор местность несколько понижается, образуя Питсбургское плато высотой от 300 до 600 метров, а вдоль берега озера Эри протянулась узкая, шириной в 5–8 километров, полоса низменности.
В Пенсильвании много озер — следов когда–то прошедшего по этой земле ледника. Главные реки штата — Огайо, образованная сливающимися у Питсбурга Аллегани и Мо–нангахилой, Саскуиханна и Делавэр — равномерно снабжают водой практически всю территорию Пенсильвании. В горных областях штата на реках возводят дамбы и водохранилища, что позволяет регулировать сток рек в период сильных дождей и таяния снегов, уберегая лежащие более низко области от катастрофических паводков. К тому же горные водохранилища являются источниками чистейшей питьевой воды, а созданные по их берегам зоны отдыха привлекают в штат многочисленных туристов.
Хотя Пенсильвания не имеет выхода к океанскому побережью, большие океанские корабли могут подниматься по реке Делавэр в Филадельфию, являющуюся главным портовым городом штата. Река судоходна на всем своем протяжении в пределах границ Пенсильвании.
Близость океана не оказывает влияния на климат Пенсильвании, так как на территории штата преобладают западные ветры. Среднегодовая температура в этом регионе составляет около +10–12 градусов. Зимой бывает слабый мороз (до–3 градусов), летом стоит приятная, теплая погода (+19–23 градуса). Наиболее мягким климатом отличается прилегающая к озеру Эри полоса низменности: близость озера делает зиму теплее, а лето прохладнее.
Когда в 1681 году сын адмирала Пенна Уильям Пенн–младший получил в свое распоряжение огромную территорию в Северной Америке, название «Пенсильвания» (лесная страна Пена) идеально описывало природные особенности этой местности. Однако развитие деревообрабатывающей промышленности уже в начале XIX века привело к резкому сокращению лесных угодий Пенсильвании. И тогда к концу столетия в штате началось насаждение новых лесов. Современная Пенсильвания вновь вполне оправдывает свое имя, так как примерно три пятых ее территории покрывают леса.
