Il territorio della provincia si presenta molto vario, passando dalle pianure del Campidano alle montagne del Montiferru. La porzione sud-occidentale del territorio è occupata da una parte della vasta pianura del Campidano, che attraversa parzialmente anche le provincie del Medio Campidano, di Carbonia-Iglesias e di Cagliari. Nella porzione sud-orientale si trova invece il massiccio del Monte Arci, con i suoi 812 metri. La parte nord-occidentale è invece occupata dal massiccio del Monte Ferru, la cui cima più elevata è rappresentata dal Monte Urtigu, con i suoi 1.050 metri. Nel settore nord-orientale si trova l'altopiano di Abbasanta, diretta continuazione dell'altopiano di Campeda.
Il paesaggio costiero si presenta piuttosto variegato. Alle coste basse e sabbiose si alternano falesie calcaree. Al largo, di fronte alla costa di Cabras, si trova la pianeggiante Isola di Mal di Ventre, disabitata, mentre poche miglia più a sud si trova lo Scoglio del Catalano. La presenza degli stagni contribuisce alla biodiversità e questi ecosistemi costituiscono l'habitat di molte specie di uccelli, sia stanziali che di passo, tra i quali vi sono il pollo sultano (Porphyrio porphyrio), il fenicottero rosa (Phoenicopterus ruber), il cavaliere d'Italia (Himantopus himantopus), il cormorano (Phalacrocorax carbo), l'airone cenerino (Ardea cinerea), il gabbiano reale (Larus michahellis), ecc.
Le pendici dei massicci montuosi del Monte Ferru, del Monte Arci e delle montagne del Barigadu sono fittamente ricoperte dai boschi di lecci (Quercus ilex) e roverelle (Quercus pubescens). La macchia mediterranea che domina lungo le coste e negli altopiani dell'interno è formata da essenze quali l'olivastro (Olea europaea sylvestris), il lentisco (Pistacia lentiscus), il corbezzolo (Arbutus unedo), il mirto (Myrtus communis) ed il cisto (Cistus salvifolius). La vegetazione riparia è invece formata da salici (Salix fragilis), pioppi (Populus alba) e tamerici (Tamarix gallica). Le sponde degli stagni sono invece il dominio della vegetazione alofila.