Le département de l’Allier occupe la partie nord du Massif central ; son histoire géologique est donc intimement liée à celle de ce grand massif. A l’ère Primaire, un soulèvement considérable de l’écorce terrestre engendre une immense chaîne de montagne appelée chaîne hercynienne. Celle-ci subit de nombreuses déformations qui donnent naissance à des granites et roches métamorphiques variées. Ce socle représente plus de la moitié du département : autour de Montluçon et Montmarault ; à l’est, ce sont des granites qui dominent autour du Mayet-de-Montagne et des tufs rhyolitiques (roches volcaniques) au sud de Cusset. L’érosion intense de cette chaîne qui s’ensuit va produire des sédiments divers s’accumulant dans les bassins en extension sous forme de grès rouges (Bourbon-l’Archambault et Le Donjon) ou dans des bassins lacustres localisés le long des failles (bassins houillers de Commentry, Villefranche-d’Allier et Noyant). Au nord-ouest, dans le Bocage bourbonnais, la couverture sédimentaire datant de l’ère Secondaire (extrémité sud du Bassin parisien formé au Trias) est importante. Le reste du département est occupé par les terrains sédimentaires oligo-pliocènes (ère Tertiaire) qui ont comblé le bassin de l’Allier (prolongement de la Limagne de Clermont) et de la Loire (prolongement de la Limagne de Roanne). Ces terrains sont de deux types : roches carbonatées issues de formations lacustres (calcaires et marnes de la Limagne bourbonnaise et Forterre) ou roches détritiques appelées sables et argiles du Bourbonnais (Sologne bourbonnaise, extrémité est du département, autour de Lapalisse, Cosne-d’Allier et Lurcy-Lévis). Ces dernières se juxtaposent régulièrement avec des colluvions sableuses et argileuses du Quaternaire. Les grandes vallées alluviales (Allier, Loire et Cher) ont ensuite bénéficié de dépôts d’alluvions anciennes et récentes charriées par les rivières (roches de toute nature).
Le département de l'Allier est, dans son ensemble, sous un climat d'influence atlantique : doux, humide et dominé par les vents d'ouest. Les précipitations annuelles moyennes sont de 831 mm. Plus précisément, ce département se trouve être compris entre deux zones climatiques, une zone océanique plus ou moins altérée au nord et à l'ouest, et une zone de climat de montagne au sud.
Les régions de plaines à faible altitude et les vallées fluviales (Sioule, Allier, Cher) présentent des précipitations (700 à 750 mm par an) et des températures assez proches (11°C de moyenne annuelle). Une exception, la région d'Ebreuil, qui bénéficie d'une moindre pluviosité avec seulement 670 mm, due à une position géographique privilégiée bénéficiant de l'effet de foehn provoqué par le Massif de la Bosse.
Les collines d'altitude moyenne (400 à 600 m) au centre du département en prolongement de la Bosse et à l’Ouest présentent une pluviométrie annuelle avoisinant les 800 à 850 mm. L'hiver, les conditions météorologiques y sont souvent délicates (neige et brouillard : entre 10 et 20 jours de neige en moyenne par an et de 40 à 60 jours de brouillard).
La Montagne de la Bosse vers Lalizolle et le sud-est de la Montagne bourbonnaise (entre 600 et 1200 m d’altitude) présentent des températures moyennes plus basses (9,5°C) et une pluviosité très nettement supérieure au reste du département (1000 à 1200 mm par an). Le nombre de jours de neige atteint en moyenne 30 jours.
La différenciation du relief et ses implications climatiques sont à l’origine d’un étagement de la végétation. Bien qu'il présente une situation moins contrastée que les autres départements auvergnats au niveau altitudinal, le département de l'Allier présente deux étages de végétation :
- l'étage collinéen, qui occupe la très grande majorité des régions naturelles, de 160 m (point le plus bas du département à Urçay au niveau du Cher) à 850 m d'altitude environ. Cet étage est le domaine de la chênaie. L’essence dominante diffère selon les secteurs : Chêne pédonculé à l’ouest, ouvert aux influences atlantiques ; Chêne sessile à l’est, au climat plus continental. Selon les orientations des versants, il est possible de distinguer l'étage "collinéen inférieur", cantonné aux versants pentus orientés au sud et l'étage "collinéen supérieur" sur la face nord des versants abrupts. Ces cas de figures ne sont présents que dans les secteurs de gorges, en Combraille bourbonnaise et Vallée de la Sioule.
- l'étage montagnard, à partir de 880 m en orientation nord et 950 m sur les versants orientés au sud, qui n'est strictement présent que dans la région de la Montagne bourbonnaise, à l'extrémité sud-est du département. C’est le domaine privilégié de la hêtraie et de la hêtraie-sapinière qui se plaisent dans ces hautes terres où l’humidité atmosphérique demeure importante toute l’année. L'étage "montagnard supérieur" se rencontre uniquement sur les crêtes et sommets des Bois Noirs, aux alentours du Puy de Montoncel (1287 m).
L'Allier est un département aux paysages relativement variés où le bocage couvre à lui seul plus de la moitié du territoire départemental (partie ouest et centre). Il s'agit d'un paysage rural où les prairies et champs cultivés sont cloisonnés de haies basses ponctués d'arbres isolés. Les larges vallées alluviales façonnent également la carte de ce département : le Cher, la Loire, la Besbre et l'Allier profitent d’un relief très doux et tracent leurs cours librement du sud vers le nord. A l'inverse, les gorges creusées par les rivières Sioule, Bouble et les affluents du Cher, offrent des paysages pittoresques et des milieux préservés (fortes pentes et éperons rocheux) dans les contre-forts du Massif central (Combraille). L'eau se distingue également par ses nombreux étangs et mares (plus de 1000 au total) qui jalonnent la campagne de ces milieux remarquables à préserver, notamment dans la Sologne bourbonnaise. La Montagne bourbonnaise au sud-est (versant occidental des Monts de la Madeleine) qui offre un tout autre panorama avec ses forêts de sapins et ses tourbières caractéristiques constitue les contre-forts du Massif central. Enfin, le grenier de l'Allier se situe entre Vichy et Saint-Pourçain-sur-Sioule (Limagne bourbonnaise et Forterre) : la culture céréalière y est prépondérante.