In Overijssel liegt Deutschland im Osten. Im Süden liegt die Region Achterhoek in Gelderland, im Westen die Veluwe in Gelderland und Flevoland und im Norden Friesland und die ehemaligen Moore von Drenthe. Overijssel besteht aus drei Regionen: Kop van Overijssel im Nordwesten, Salland in der Mitte der Provinz und Twente im Osten. Neben der Hauptstadt Zwolle sind die wichtigsten Städte Almelo, Deventer, Enschede und Hengelo.
Im Südosten ist das Land überwiegend sandig. Es wird von kleinen Flüssen und Bächen durchschnitten. Beispiele für solche Flüsse sind Regge und Dinkel. Im Nordwesten besteht die Geologie hauptsächlich aus Sedimenten der Overijsselse Vecht und Ton. Die nördlichen Teile waren einst von Veen (Mooren) bedeckt, die den trockeneren und ackerbaulicheren Süden von Drenthe trennten. Diese Moore wurden zu einem großen Teil als Brennstoff ausgebeutet. Heute sind nur noch kleine Flecken erhalten (Engbertsdijksvenen bei Tubbergen, Witteveen (bei Haaksbergen) und der Aamsveen (bei Enschede). Im äußersten Nordwesten dominiert ein durch ehemaligen Torfabbau entstandenes Seensystem, das Weerribben, das ein wertvolles Feuchtgebiet ist.
Der höchste Punkt in Overijssel ist der Gipfel des Tankenbergs, ein Hügel in der Gemeinde Losser. Er misst 89 Meter (295 ft). Der tiefste Punkt liegt im Mastenbroek-Polder bei Kampen 2 Meter unter dem Meeresspiegel (6 ft).