La parte occidental de esta provincia se halla en las estribaciones de la cordillera orienta de los Andes, de defícil el acceso a ella. El resto es una vasta llanura bañada por hermosos ríos que nacen de esa cordillera; en la zona este de esta llanura habita el pueblo shuar, en sus pequeñas pero numerosas comunidades.

La principal montaña es el Sangay, con 5230 m, volcán que se encuentra en permanente actividad, que despierta la atención de científicos y turistas. Hacia el sur se halla pequeñas cordilleras llamadas Boliche, Zapote Naida, Manga Urcu, Yupaiqui y la Cordillera del Cóndor, uno de los sitios de mayor dificultad en el conflicto territorial con el Perú; en ella se ubica los sitios de Soldado Monje, Teniente Ortiz, Mayaicu, Mirador, Banderas, Coangos, Numbatcaime...

El clima en los valles y mesetas es caliente; la temperatura media oscila entre 18 y 23 grados centígrados.

Morona-Santiago participa, desde 1975, con Chimborazo y Tungurahua, del parque Nacional Sangay, con una superficie de 517.725 hectáreas, declarado Patrimonio Natural de la Humanidad.

Hay también la Reserva Ecológica de Los Tayos y Cutucú. Y el área no es apropiada para el manejo del río Cangaima.

El sistema fluvial de esta provincia tiene ríos de mucho caudal y de beneficio para la conservación de la vegetación amazónica. El Pastaza señala el límite norte con la provincia de ese nombre. También al norte se halla el Palora, que nace en las alturas de Cebadas y va a desaguar en el Pastaza. De sur a norte corre el río Chiguaza. Luego tenemos el Macumba y otros de curso menor. El Morona, descubierto definitivamente hacia el año de1860 por el General Víctor Proaño, que va a unirse al sur con el río Amazonas. El río Yaupi, que se junta con el Zamora. Finalmente, el río Upano, que nace en las alturas de Ayapungo y tiene un recorrido de sur a noroste; este río, con el Paute y el Zamora, va a formar el río Santiago, otro afuente del gran Amazonas.