Địa hình Tây Bắc núi cao và chia cắt sâu, có nhiều khối núi và dãy núi cao chạy theo hướng Tây Bắc-Đông Nam. Dãy Hoàng Liên Sơn dài tới 180 km, rộng 30 km, với một số đỉnh núi cao trên từ 2800 đến 3000 m. Dãy núi Sông Mã dài 500 km, có những đỉnh cao trên 1800 m. Giữa hai dãy núi này là vùng đồi núi thấp lưu vực sông Đà (còn gọi là địa máng sông Đà). Ngoài sông Đà là sông lớn, vùng Tây Bắc chỉ có sông nhỏ và suối gồm cả thượng lưu sông Mã. Trong địa máng sông Đà còn có một dãy cao nguyên đá vôi chạy suốt từ Phong Thổ đến Thanh Hóa, và có thể chia nhỏ thành các cao nguyên Tà Phình, Mộc Châu, Nà Sản. Cũng có các lòng chảo như Điện Biên, Nghĩa Lộ, Mường Thanh.

Những đặc điểm chính của địa hình vùng núi Tây Bắc:

Đây là khu vực có địa hình cao nhất nước ta, nằm ở phía Tây của Miền Núi Trung Du Phía Bắc, nằm giữa sông Hồng và sông Cả.

- Địa hình chủ yếu ở đây là các dãy núi cao chạy theo hướng Tây Bắc - Đông Nam.

- Phía đông có dãy Hoàng Liên Sơn cao và đồ sộ, có đỉnh Phanxipang cao 3143m.

- Phía tây là địa hình núi trung bình của các dãy núi chạy dọc biên giới Việt Lào.

- Ở giữa là các cao nguyên và sơn nguyên đá vôi từ Phong Thổ đến Mộc Châu.

- Xen giữa các núi là các thung lũng sông: Sông Đà, sông Mã, sông Chu.

- Các đỉnh núi cao của vùng Tây Bắc là: Phanxipang 3143m; PusiLung 3076m; Pu Trà 2504m; Phu Luông 2445m…

Đặc điểm đó đã tạo nên sự phân hóa khí hậu của vùng:

- Sự phân hóa khí hậu theo chiều Đông - Tây: giữa vùng với vùng Đông Bắc mà ranh giới là dãy Hoàng Liên Sơn.

- Tạo nên sự phân hóa khí hậu theo độ cao: điển hình là những khu vực có địa hình núi cao, như: dãy Hoàng Liên Sơn, các dãy núi chạy dọc biên giới Việt Lào…

- Ngoài ra còn tạo nên kiểu khí hậu thung lũng núi cao phân bố dọc theo các thung lũng sông Hồng, sông Đà.