Sumatera Barat berada di bagian barat tengah pulau Sumatera dengan luas 42.297,30 km² . Provinsi ini memiliki dataran rendah di pantai barat, serta dataran tinggi vulkanik yang dibentuk Bukit Barisan yang membentang dari barat laut ke tenggara. Kepulauan Mentawai yang terletak di Samudera Hindia termasuk dalam provinsi ini. Garis pantai Sumatera Barat seluruhnya bersentuhan dengan Samudera Hindia sepanjang 375 km.

Danau-danau yang berada di Sumatera Barat adalah Maninjau (99,5 km²), Singkarak (130,1 km²), Diatas (31,5 km²), Dibawah (Dibaruh) (14,0 km²), Talang (5,0 km²)

Beberapa sungai besar di pulau Sumatera berhulu di provinsi ini, yaitu Sungai Siak, Sungai Rokan, Sungai Inderagiri (disebut sebagai Batang Kuantan di bagian hulunya), Sungai Kampar dan Batang Hari. Semua sungai ini bermuara di pantai timur Sumatera, di provinsi Riau atau Jambi.

Gunung-gunung di Sumatera Barat adalah Marapi (2.891 m), Sago (2.271 m), Singgalang (2.877 m), Tandikat (2.438 m), Talakmau (2.912 m), Talang (2.572 m).