استان سمنان در دامنه‌های جنوبی سلسله جبال البرز قرار گرفته است. ارتفاع آن از شمال به جنوب کاهش می‌یابد و به دشت کویر ختم می‌شود.
رشته‌کوه‌های البرز، از کوه‌های طالش در غرب شروع و تا ارتفاعات خراسان در شرق کشیده شده است. این رشته ممتد، از نظر نحوه استقرار در شرق و غرب تفاوت‌هایی پیدا کرده است. جهت کوه‌ها در غرب تا حبله‌رود از شمال غربی به سوی جنوب شرقی است، در حالی که در شرق این رودخانه امتداد این کوه‌ها جهت معکوس دارد، یعنی از جنوب غربی به طرف شمال شرقی امتداد دارد.
این دیواره بلند و طولانی، مانند قوسی بزرگ است که به سمت شمالی گشوده شده و مناطق پست و مسطح اطراف دریای خزر را از فلات مرتفع مرکزی ایران (از جمله استان سمنان) جدا کرده است. کوه‌های پراکنده جنوبی استان سمنان که متشکل از تپه‌های اواخر دوران ترشیاری هستند، دشت‌هایی مانند گرمسار، ایوانکی، چاله دامغان، میامی و مخروط‌افکنه شاهرود را به وجود آورده‌اند.
در یک تقسیم‌بندی کلی میتوان استان سمنان را به دو بخش کوهستانی و دشت‌های پایکوهی تقسیم کرد :
نواحی کوهستانی از مهم‌ترین و کارآمدترین ناحیه‌های دارای امکانات معدنی هستند که برای گذران اوقات فراغت مردم نیز مناسب‌اند. در دشت‌های پایکوهی استان، بسیاری از شهرهای باستانی جای گرفته‌اند.
خصوصیات جوّی استان سمنان نشانگر تنوع در اقلیم آن است. این تنوع اقلیمی، به دو شکل خود را نشان می‌دهد :
- اقلیم نیمه بیابانی شدید که اقلیم مختص دشت‌ها ، کویر نمک و قسمت‌هایی از فلات شمالی و مرکز ایران است و بخش‌هایی از استان سمنان از جمله گرمسار و بن کوه را در بر گرفته است. در این نقاط، میزان بارش و نزولات جوّی اندک است و معمولاً بارندگی آن در اوایل بهار و در بعضی از سال‌ها در تابستان نیز به وقوع می‌پیوندد.
- اقلیم نیمه بیابانی خفیف که علاوه بر بخش‌های مختلف ایران، قسمت‌هایی از خراسان، سمنان، شاهرود و دامغان را نیز در بر می‌گیرد. بارندگی در این نواحی، معمولاً در پائیز و بهار نیز صورت می‌گیرد، ولی بیشترین بارندگی در فصل زمستان روی می‌دهد.
استان سمنان، تحت تأثیر جریان‌های هوایی گرم و خشک دشت کویر است ولی عواملی چون دوری از دریا، جهت و امتداد کوه‌ها، ارتفاع مکان و وزش بادها نیز در آب و هوای آن مؤثرند.
در این استان، سه نوع آب و هوا را میتوان مشخص کرد :
قسمت شمالی شامل شاهرود، دامغان، مهدی‌شهر و شهمیرزاد، در زمستان هوایی خشک و مرطوب و در تابستان وضعیتی معتدل دارد.
قسمت جنوبی شامل گرمسار و جنوب شهرستان سمنان، در تابستان‌ها هوای بیابانی و نسبتاً گرم و خشک و در زمستان‌ها هوای سرد دارد.
قسمت شمال شرقی شامل میامی و حسین‌آباد کالپوش، در تابستان هوای معتدل و مرطوب و در زمستان هوای سرد دارد.
میانگین حرارت سالانه شهر سمنان 17/8 درجه، شاهرود 14/1 و گرمسار 17/5 درجه سانتی‌گراد است. با توجه به این ارقام، سردترین شهرها از میان چهار شهر استان، شاهرود و سپس دامغان و گرم‌ترین شهر، سمنان و سپس گرمسار است.
میانگین حداکثر مطلق درجه حرارت در ماه‌های تیر و مرداد که گرم‌ترین ماه‌های سال در استان سمنان است به 25 درجه سانتی‌گراد و میانگین حداقل درجه حرارت در ماه‌های دی و بهمن که سردترین ماه‌های سال استان است به زیر 11 درجه سانتی‌گراد می‌رسد. همچنین اختلاف حداکثر مطلق درجه حرارت بین گرم‌ترین و سردترین ماه‌های سال به 31 درجه سانتی‌گراد می‌رسد.
در استان سمنان، نزولات جوی بسیار کم و غالباً به صورت ریزش باران است و میزان آن به طور متوسط به 145 میلیمتر در سال می‌رسد. با توجه به اینکه میزان رطوبت نسبی با بارندگی نسبت مستقیم دارد، لذا میزان رطوبت از غرب به شرق استان و از جنوب به شمال افزایش می‌یابد. به طوری که درصد رطوبت نسبی در شاهرود 49 و در گرمسار 40 درصد است.
شاهرود در میان شهرستان‌های مهم استان با 161/1 میلیمتر بارش سالانه بیشترین و دامغان با 120/2 میلیمتر کم‌ترین میزان بارندگی را دارند.
تنوع ناهمواری و مجاورت کویر و کوهستان در محدوده استان سمنان (علاوه بر بادهای محلی) موجب پیدایش بادهای غربی و کویری هم شده است.
بادهای مهم استان عبارت‌اند از :
بادهای غربی : این بادها معمولاً مرطوب‌اند و در ماه‌های سرد سال از غرب تا شمال غربی می‌وزند.
بادهای کویری : این بادها معمولاً از مناطق کویری و بیشتر در ماه‌های گرم سال می‌وزند و موجب افزایش درجه حرارت و خشکی هوا می‌شوند.
استان سمنان به علت تنوع جغرافیایی، دارای آب و هوایی متفاوت است. به این صورت که در نواحی کوهستانی هوا سرد،
در دامنه کوه‌ها معتدل و در کنار کویر گرم است. در دامغان به علت وزش بادهای شدید شمالی و بارندگی در نواحی گرگان و مازندران، زمستان‌ها سرد و تابستان‌ها معتدل، در سمنان تابستان‌ها گرم و زمستان‌ها معتدل، در شاهرود با توجه به پستی و بلندی‌های آن، در قسمت شمالی سرد، در قسمت مرکزی معتدل و در قسمت جنوبی گرم است.
در گرمسار نیز تغییرات فصل خیلی زیاد است. تابستان‌های این ناحیه بسیار گرم و خشک و زمستان‌های آن نسبتاً سرد و بارانی است.