จังหวัดอุดรธานี ตั้งอยู่ที่เส้นรุ้งที่ 17 องศาเหนือ เส้นแวงที่ 103 องศาตะวันออก ตั้งอยู่ทางทิศตะวันออกเฉียงเหนือของประเทศไทย ห่างจากกรุงเทพมหานคร ตามทางหลวงหมายเลข 2 ประมาณ 564 กิโลเมตร
โดย อำเภอเมืองอุดรธานี มีพื้นที่มากที่สุดเท่ากับ 1,094 ตารางกิโลเมตร และ อำเภอประจักษ์ศิลปาคม มีพื้นที่น้อยที่สุดเท่ากับ 144.808 ตารางกิโลเมตร สำหรับอำเภอที่อยู่ห่างจากอำเภอเมืองมากที่สุดคือ อำเภอนายูง (130 กิโลเมตร) และอำเภอที่อยู่ใกล้ที่สุดคือ อำเภอกุดจับ (22 กิโลเมตร)
สภาพภูมิประเทศโดยทั่วไปประกอบด้วยภูเขา ที่สูง ที่ราบ ที่ราบลุ่ม และพื้นที่ลูกคลื่นลอนตื้น มีความสูงจากระดับน้ำทะเลเฉลี่ยประมาณ 187 เมตร พื้นที่เอียงลาดลงสู่แม่น้ำโขงทางจังหวัดหนองคาย แบ่งออกเป็น 2 บริเวณหลัก ได้แก่:
ส่วนใหญ่เป็นพื้นที่ภูเขา สลับพื้นที่ลูกคลื่นลอนตื้นถึงลอนลึก สูงจากระดับน้ำทะเลปานกลางประมาณ 200 เมตร
ครอบคลุมพื้นที่: อ.น้ำโสม, อ.หนองวัวซอ, อ.โนนสะอาด, อ.ศรีธาตุ, อ.วังสามหมอ, ด้านตะวันตกของ อ.กุดจับ และ อ.บ้านผือ
ลักษณะ: มีเทือกเขาสูงสลับเนินเตี้ย มีที่ราบลุ่มริมแม่น้ำ เช่น ลำน้ำโมง, ลำปาว
ส่วนใหญ่เป็นพื้นที่ลูกคลื่นลอนตื้น มีที่ดอนสลับที่นา สูงจากระดับน้ำทะเลเฉลี่ยประมาณ 187 เมตร
ครอบคลุมพื้นที่: อ.บ้านผือ, อ.กุดจับ, อ.เมือง, อ.กุมภวาปี, อ.หนองแสง, อ.ไชยวาน, อ.เพ็ญ, อ.ทุ่งฝน, อ.สร้างคอม, อ.บ้านดุง
ลักษณะ: มีที่ราบลุ่มกว้างขวางใน อ.เมือง และ อ.กุมภวาปี (ต้นกำเนิดลำน้ำปาว)
ลักษณะดินส่วนใหญ่เป็นดินปนทรายและดินลูกรัง ชั้นล่างเป็นดินดาน ไม่เก็บน้ำในฤดูแล้ง บางแห่งเป็นดินเค็ม ทางทิศตะวันตกมีเทือกเขาสำคัญคือ เทือกเขาภูพาน ทอดตัวเป็นแนวยาวตั้งแต่เขตเหนือสุดของจังหวัด
การปกครองส่วนภูมิภาคแบ่งเป็น 20 อำเภอ 155 ตำบล 1,880 หมู่บ้าน
การปกครองส่วนท้องถิ่น: องค์การบริหารส่วนจังหวัด 1 แห่ง, เทศบาลนคร 1 แห่ง, เทศบาลเมือง 3 แห่ง, เทศบาลตำบล 67 แห่ง และองค์การบริหารส่วนตำบล 109 แห่ง