気候は亜寒帯湿潤気候で、夏と冬の温度差が大きく冬の積雪は根雪となる。
気温は夏冬とも一般に日本海側で高く、オホーツク海・太平洋側で低い。
日本海側は冬季に降雪が多く、太平洋側では少ない。
太平洋側では夏には霧が発生する。
内陸の盆地部は気温の年較差が大きく冬季には記録的な低温を示す事も多い。
道南地域は道内では最も温暖で東北地方と似通った気候であり植生も類似している。
北海道地方には梅雨がないとされ、気象庁でも北海道の梅雨入りは発表されていないが、梅雨前線が北海道にかかり、2週間ほどぐずついた天気になる事がある。これを蝦夷梅雨という。
島としての北海道は、面積77,981.87km²（日本では本州に次いで2番目、世界では21番目に大きな島）。アイルランド島よりやや小さく、樺太よりやや大きい。南の本州とは津軽海峡で隔てられているが、青函トンネルにより鉄路で繋がれている。北は宗谷海峡を隔てて樺太と向かい合い、東には千島列島が連なっている。西の日本海、南東の太平洋、北東のオホーツク海と、3つの海に囲まれている。
北海道は大きく分けて胴体部にあたる菱形の部分と、南西の半島部（渡島半島）よりなる。
胴体部は南北に蝦夷山系と呼ばれる山地群が貫き北海道の脊梁を成している。蝦夷山系は南の日高山脈に始まり、東の石狩山地・北見山地と、西の夕張山地・天塩山地に分岐しており、この二列の間には富良野盆地・上川盆地・名寄盆地等の盆地列が形成されている。頓別平野からこの盆地列を通り、鵡川の河谷に抜ける低地帯を北海道中央凹地帯と呼ぶ。 北海道東部は千島弧の延長である知床や阿寒の山々が、それぞれ北東-南西の山列を成しながら全体としては東西に伸びている。この北側は北見山地からなだらかな傾斜が海岸近くまで続き平野は少ないが、南側では十勝平野、根釧原野等の大平野が形成されている。 南西半島部に続く地域は、石狩湾から石狩平野、勇払平野を通って太平洋へと抜ける石狩低地帯である。ここには人口180万を超える都市・札幌市や、千歳市、苫小牧市等が並び、北海道で最も人口が集中する地域となっている。
南西半島部は東北日本弧内帯の延長部にあたり、石狩低地帯の西に位置する南西部山地、その南に黒松内低地帯、更に南には渡島山地がある。
北海道の主な高峰は、蝦夷山系と千島弧の会合する中央部の石狩山地（大雪山連峰、十勝岳連峰等）と、その南に続く日高山脈に集中している。最高峰は大雪山の旭岳で、その標高は2,290mである。南西部山地には「蝦夷富士」と呼ばれる羊蹄山等の山がある（北海道の山の一覧も参照のこと）。
北海道の一級水系の流域図一級水系は13水系ある。石狩川、天塩川、十勝川、釧路川、網走川、常呂川、湧別川、渚滑川、留萌川、沙流川、鵡川、尻別川、後志利別川。
阿寒湖、大沼、屈斜路湖、サロマ湖、支笏湖、洞爺湖、摩周湖、ウトナイ湖、網走湖、能取湖、風蓮湖などの湖がある。
かつてはアイヌが住む土地で、アイヌ語では「アイヌモシリ」（「人間の住む土地」の意）と呼ばれた。日本人（和人）は近代に至るまでアイヌを蝦夷（えぞ）、その土地を蝦夷地（えぞち）と呼んでいたが、明治政府は開拓使の設置に伴い名称の変更を検討し、蝦夷地探査やアイヌとの交流を続けていた松浦武四郎は政府に建白書を提出、「北加伊（きたかい）道」「海北道」「海東道」「日高見（ひたかみ）道」「東北道」「千島道」の6案を提示した。結局「北加伊道」を基本として採用し、海北道との折衷案として、また、律令制時代の五畿七道の東海道、南海道、西海道の呼称に倣う形として「北海道」と命名された。松浦は建白書において「北加伊道」案はアイヌが自らを「カイ」と呼んでいる事から考案したと説明しているが、言語学者の金田一京助は、当時のそのような事実を示す証拠は見つかっていないと唱えている。
北海道の道は地方自治法に於いて他の都・府・県と同格の接尾辞とされているが、それを外して単に「北海」と表記・呼称されることは非常に稀である（社名や学校名等の固有名詞に使用される例はある）。これは五畿七道にあやかって命名されたひとまとまりの地域名をそのまま地方公共団体名として転用した特殊性に拠るものといえる。逆に道の方が「道銀（北海道銀行）」「道新（北海道新聞）」等、事実上北海道を指し示す固有名詞として広く普及しているのが現実である。
後述の通り、1886年から1947年まで北海道を管轄した地方行政官庁は北海道庁であった。この場合、「北海道」は単なる地域呼称であって、「北海道庁」が「東京府」や「青森県」などと同格の官庁名であり、現在一般に理解されているような単なる庁舎の呼称ではない（樺太と樺太庁の関係に同じ）。1901年に北海道会法および北海道地方費法が公布・施行されて議会を持つ地方自治体となったが、自治体としては「北海道地方費」と呼ばれた。戦後、1946年の第1次地方制度改革で市制・町村制・東京都制とともに府県制が改正されたとき、北海道会法と北海道地方費法が廃止されて府県制に統合された。府県制は道府県制と改称され、改正法律の附則の規定により従来「北海道地方費」と呼ばれていた自治体を「道」と呼ぶこととされた。地方行政官庁としての北海道庁は1947年の地方自治法施行により「北海道庁官制」とともに廃止され、同法に基づく普通地方公共団体としての北海道となった。