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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。