Geologien preges av den kaledonske fjellkjedefolding for ca. 400 mill. år siden. Lagdelte kambrosilurbergarter (skifer og kalkstein), opprinnelig avsatt i havet, ble da presset sammen og omdannet til glimmerskifer, marmor og gneis, samtidig som flytende smeltemasse fra Jordens indre trengte opp og størknet til harde granitter og gabbrobergarter. Disse danner de spisse tindene langs kysten. Mange av dalene og fjordene i det indre av Helgeland bærer preg av hovedstrøkretningen i foldesonen, sørvest–nordøst. Lofoten har noen av verdens eldste bergarter, opptil 3,5 milliarder år gamle. De er opprinnelig av vulkansk opprinnelse men er senere noe omdannet. I den nordlige delen av fylket er det mindre grunnfjellsområder, vesentlig granitt og gneis (Ofoten). På Andøya finnes et lite område med de yngste bergartene på land i Norge, fra jura-kritt. Rana og Salten har de fleste og største kalksteinsgrottene i landet. Kontinentalsokkelen utenfor Helgeland er særlig bred, og det er påvist at de tykke, sedimentære berglagene inneholder olje og gass.
Det meste av Nordland består av fjell som ofte reiser seg rett opp fra strandflaten. Denne utgjør en brem av lavland langs kysten og er særlig velutviklet på Helgeland og i Sør-Salten og i deler av Vesterålen (Andøya). Særlig er Lofoten og Vesterålen kjent for sine ville fjellformasjoner. De høyeste fjellene ligger nær grensen i øst, Oksskolten på Helgeland (1916 moh.), Suliskongen i Salten (1908 moh.) og Storsteinfjellet i Ofoten (1893 moh.). Fastlandet er sterkt oppskåret av fjorder, dels langs kystens hovedretning, dels på tvers. Smalest er Nordland ved Hellemobotn i Tysfjord, hvor avstanden i luftlinje mellom fjordbotnen og svenskegrensen bare er 6,3 km. Fra det indre av fjordene fortsetter dalfører som ofte følger kystens hovedretning. Jordbunnen på strandflaten og i dalene består ofte av leire, sand eller grus, avsatt i sjøen på slutten av siste istid. Senere har landet hevet seg, mest i indre strøk der isen var tykkest, og her finnes havavsetninger opptil ca. 160 moh.
Nordland er landets nest største fylke i areal med 38 456 km2 som utgjør 11,9 % av landets areal. Av arealet er 2382 km2 ferskvann (12,2 % av hele landets ferskvannsareal). Største innsjø er Røssvatnet, som etter regulering er landets nest største (219 km2, før 190 km2). En relativt stor andel av arealet er som følge av bl.a. den velutviklede strandflaten, lavtliggende. Således har Nordland 13,6 % av landets areal 0–300 moh. og 7,4 % over 900 moh. Fylket har etter Sogn og Fjordane størst breareal av landets fylker (ca. 995 km2 varig dekket av snø og is), herunder tre av landets største breer (Svalbard unntatt): Vestre Svartisen, Østre Svartisen og Blåmannsisen med hhv. 221, 148 og 87 km2.
Nordland har hele 28,4 % av landets øyareal med bl.a. søndre del av Hinnøya, landets største øy. Største øy helt innen fylket er Langøya (860 km2), som er Norges tredje største øy (utenom Svalbard). Fylket har til sammen hele 18 400 øyer. Kystlinjen er svært lang, 5087 km for fastlandet og 17 934 km for øyene, og dette utgjør hhv. 20,2 og 30,8 % av hele landets kystlinje (utenom Svalbard).