Le département de la Haute-Loire occupe la partie centrale du Massif central ; son histoire géologique est donc intimement liée à celle de ce grand massif. A l’ère Primaire, la rencontre de deux continents provoque un soulèvement considérable de la croute terrestre qui engendre une immense chaîne de montagne appelée chaîne hercynienne (ou chaîne varisque). Celle-ci subit de nombreuses déformations qui donnent naissance à des granites et roches métamorphiques variées. Ce socle, qui représente environ les deux tiers du département, s'observe directement et domine les régions naturelles de la Margeride, des contreforts de la Margeride, de la vallée et gorges du Haut-Allier, des pays coupés du Livradois, du Haut-Livradois, des plateaux du Velay et du Forez. L’érosion intense de cette chaîne qui s’ensuit va produire des sédiments divers s’accumulant dans les bassins localisés le long des failles (bassins houillers de Langeac, de Sainte-Florine). A l'ère tertiaire, la surrection des Alpes provoque failles et cassures qui engendrent à la fois la remontée des roches granitiques et métamorphiques des massifs qui les composent, mais aussi l'effondrement de bassins sédimentaires, comme ceux des Limagnes du Brivadois et celui de Puy-en-Velay. Les roches sédimentaires sont de deux types : roches carbonatées issues de formations lacustres (calcaires et marnes) ou roches détritiques (sables, argiles et grès). Elles sont régulièrement en juxtaposition avec des colluvions sableuses et argileuses de l'ère Quaternaire. Une autre conséquence de la surrection des Alpes est le déclenchement des épisodes volcaniques, primordiaux dans les paysages actuels. Les massifs du Meygal, du Mézenc et surtout du Devès en sont la démonstration. Le volcanisme de ces épisodes est de deux types. Le premier est de type effusif avec écoulement de laves fluides avec comme témoins les nombreux cônes de scories (plus de 150 sur le Devès). Le deuxième est de type explosif (ou phréato-magmatique), se caractérisant par la rencontre violente de l'eau en nappe souterraine et du magma qui remonte. Il en résulte des vastes cratères de type maar, occupés aujourd'hui par un lac (lac du Bouchet, lac d'Issarlès) ou des végétations humides (marais de Limagne, narces de Chaudeyrolles). Le Meygal présente des roches volcaniques plus acides (trachytes) que le reste des massifs volcaniques du département. Enfin, à l'image de l'Allier dans les Limagnes brivadoises, les rivières déposent des alluvions anciennes et récentes.
Le département de la Haute-Loire est, dans son ensemble, sous un climat d'abri continentalisé où l'influence atlantique est atténuée. Les reliefs des monts du Cantal, du Cézallier et du Sancy offrent au département une position d'abri vis-à-vis des flux océaniques (et également méditerranéens avec les monts des Cévennes). Les précipitations annuelles moyennes sont assez faibles, variant de 600-700 mm/an pour les régions naturelles à faible altitude (Limagnes du Brivadois, bassin du Puy-en-Velay, vallée et gorges du Haut-Allier et celles de la Haute-Loire) jusqu'à 1284 mm/an dans le massif du Mézenc. La pluviométrie augmente en altitude et les zones montagnardes au sud-est du département reçoivent plus de précipitations via les épisodes méditerranéens arrivant par l'Ardèche. L'amplitude thermique du département est importante puisque la moyenne annuelle des températures varie à partir d'environ 6,5°C dans le massif du Mézenc (région naturelle la plus froide) jusqu'à environ 11°C dans les Limagnes du Brivadois (région naturelle la plus chaude).
Les étés sont qualifiés de courts et chaud avec des températures pouvant aisément grimper à 35°C, au contraire des hivers longs et rudes où les températures négatives sont plus qu'occasionnelles. Les chutes de neige sont fréquentes, surtout au-dessus des 1 000 m (environ 40 jours de neige sur les massifs montagnards), mais moins abondantes que dans l'ouest de l'Auvergne et les Cévennes. La création de congères peut se faire via ""la Burle"", vent particulièrement froid en provenance du nord.
Avec ses reliefs et ses substrats géologiques très divers, la Haute-Loire est un département aux paysages très variés où les milieux ouverts et forestiers sont bien représentés. Le caractère rural reste toutefois dominant et représentatif de la Haute-Loire avec prairies et champs cultivés bien que le cloisonnement par haies, basses ou hautes, reste local et pas aussi généralisé et emblématique que pour le bocage du département de l'Allier. Le massif du Devès est une bonne image de cette mosaïque de prairies permanentes et de cultures tirant profit de la fertilité de ces terres volcaniques. A l'instar des Limages du Puy-de-Dôme, les Limagnes du Brivadois sont très cultivées avec une culture céréalière prépondérante. Les emblématiques gorges de l'Allier et de la Loire façonnent également la carte du département. L'encaissement de ces deux rivières diminue en direction du nord, surtout pour l'Allier qui acquiert un paysage de vallée alluviale à partir des Limagnes brivadoises. Au sein de ses gorges, les milieux sont plus préservés et la végétation est adaptées aux conditions pentues et sèches des falaises rocheuses (pelouses saxicoles, landes, boisements de Pin sylvestre). Les forêts sont représentées par des chênaies à l'étage collinéen tandis que les hêtraies et les hêtraies sapinières prennent le relais dans les secteurs montagnards. Les plantations de résineux (Douglas, Epicéa, Sapin) sont également bien présentes dans le département avec la politique de reboisement des terrains de montagne du milieu du XIXe siècle et la politique de reconstruction d'après-guerre dans les années 1950. La présence des végétations humides augmente avec l'altitude grâce aux différents épisodes volcaniques générant des reliefs propices à leur développement (marais de Limagne, Lac du Bouchet, Lac d'Issarlès, narces de la Sauvetat, Mont Bar...). L'érosion des substrats, notamment granitique, génère des cuvettes où se retrouvent des tourbières à l'image de celles de Margeride. Le volcanisme a également engendré des gros blocs d'éboulis appelés chirats ou clapiers, comme dans le massif du Mézenc. Grâce à la diversité de ces paysages, le département de la Haute-Loire bénéficie d'une image attractive et offre de multiples panoramas aussi bien différents qu'enrichissant.