Ο νομός Γρεβενών καταλαμβάνει το νοτιοδυτικό τμήμα της Δυτικής Μακεδονίας. Συνορεύει βορειοανατολικά με το νομό Κοζάνης, ανατολικά με τους νομούς Κοζάνης και Λάρισας, νότια με το νομό Τρικάλων, νοτιοδυτικά και δυτικά με το νομό Ιωαννίνων και βορειοδυτικά με το νομό Καστοριάς.
Η έκτασή του είναι 2.291 τ.χλμ. Το έδαφος του νομού είναι στο σύνολό του ορεινό και ημιορεινό (85%περίπου). Το ανάγλυφό του διαμορφώνεται από πολλές κορυφές του Βούρινου, των Καμβουνίων, των Χασίων και της Βόρειας Πίνδου όπου και βρίσκονται οι ψηλότερες κορυφές του νομού. Η οροσειρά εκτείνεται στο δυτικό τμήμα του νομού και αποτελεί ένα αδιαπέραστο τείχος, που δυσχεραίνει την επικοινωνία με την ‘Ηπειρο.
Οι κορυφές Βασιλίτσα (2.249 μ.), Βούζιο (2.239 μ.), Αφτιά (2.005 μ.), Φλέγκα (2.158 μ.), Μαυροβούνι (2.050 μ.) και Μηλέα (2.160 μ.) υψώνονται στα όρια του νομού με το νομό Ιωαννίνων, ενώ οι κορυφές Κίρκουρη (1.860 μ.), Σκούρτζα (1. 799 μ.), ‘Ορλιακας (1.433 μ.), Αυγό (2.177 μ.), Πυροστιά (1.860 μ.) κ.ά. βρίσκονται ολοκληρωτικά στο έδαφος του νομού.
Τα Χάσια, βουνά χαμηλά, με ομαλές από τη διάβρωση κορυφές, χωρίζουν το νομό Γρεβενών από το νομό Τρικάλων. Τα Καμβούνια κατέχουν το βορειοανατολικό τμήμα του νομού, με ψηλότερες κορυφές τις Βουνάσα (1.615 μ.), Μαυρολίθαρα (1.363 μ.), Προφήτης Ηλίας Λουτρού (1.055 μ.) βόρεια της Δεσκάτης, Τρέτιμος (1.093 μ.) και Τσιότινα (933 μ.), νότια της Δεσκάτης.
Στο νοτιοδυτικό άκρο του νομού στα όρια με το νομό Τρικάλων υψώνεται το βουνό Μετερίζια (1.381 μ.). Στο νομό υπάρχουν λίγες πεδινές εκτάσεις.
Μία από αυτές είναι και η ψηλή λεκάνη των Γρεβενών. Περικλείεται από τα παραπάνω βουνά και είναι ανοιχτή μόνο στο Βορρά προς την επαρχία Βοϊου του νομού Κοζάνης. Άλλες μικρές πεδιάδες είναι αυτές του Καρπερού, της Δήμητρας, της Κατάκαλης, της Παλιουριάς.
Τα νερά του νομού αποστραγγίζονται από τον Αλιόκμονα και τους παραποτάμους του. Ο Αλιάκμονας εισέρχεται στο νομό από τα Βόρια, από την περιοχή της Σιάτιστας του νομού Κοζάνης. Διασχίζει τη δασώδη λεκάνη των Γρεβενών ανατολικά της πόλης και δέχεται τα νερά της Β. Πίνδου από τους δεξιούς παραποτάμους του κυρίως. Σημαντικότεροι απ’ αυτούς είναι ο Γρεβενιώτικος ή Γρεβενίτης ή Γρεβενιώτικο ποτάμι, που διασχίζει την πόλη, ο Βενέτικος (ο μεγαλύτερος παραπόταμος) που διέρχεται νότια των Γρεβενών και ο Σταυροπόταμος.
Στο δυτικό άκρο του νομού και μέσα από τον κορμό της Β. Πίνδου πηγάζει ο ποταμός Αώος. Ο Νομός Γρεβενών θεωρείται μία από τις πιο κρύες κλιματολογικά περιοχές της Ελλάδας.
Τα Γρεβενά βρίσκονται στο κέντρο σχεδόν του νομού και έχουν ακτινωτούς οδικούς άξονες επικοινωνίας με Κοζάνη, Λάρισα, Τρίκαλα και Γιάννενα. Η πόλη των Γρεβενών είναι χτισμένη σε υψ. 534 μ. ανατολικά της Β. Πίνδου, στις όχθες του Γρεβενίτη, παραπόταμου του Αλιάκμονα.
