Η περιοχή που καταλαμβάνει ο Νομός Κοζάνης βρίσκεται στην καρδιά του ηπειρωτικού χώρου της Ελλάδος. Το έδαφος του Νομού είναι ορεινό -ηπειρωτικό και μπορεί να χαρακτηριστεί ως ο Νομός με τις περισσότερες βουνοκορφές στην Ελλάδα, αν και δεν είναι ο πιο ορεινός Νομός της. Τα βουνά της Κοζάνης είναι η «Μακρά Οροσειρά» που αποτελείται από τα όρη Μουρίκη, Βέλλα, Σινιάτσικο, Βούρινο, το «Βόϊον όρος», το «Βέρμιο», η οροσειρά των «Πιερίων», που περιλαμβάνει και τα όρη «Τίταρος» και «Καμβούνια».

Σημαντικό στοιχείο του νομού, το οποίο είναι δυνατό να θεωρηθεί ότι έχει ορίσει την πορεία της περιοχής, είναι ο ποταμός Αλιάκμονας, που διαρρέει από άκρη σε άκρη το Νομό. Ο Αλιάκμονας είναι ο μεγαλύτερος σε μήκος ποταμός της Ελλάδος (297 χλμ.), πηγάζει από τις Ανατολικές βουνοπλαγιές του Βοϊου όρους και εκρέει στο Θερμαϊκό κόλπο, αφού εμπλουτιστεί από πολλούς παραπόταμους και υπόγεια νερά. Στην περιοχή, που βρίσκεται μεταξύ των Σερβίων και της Κοζάνης, σχηματίζει την τεχνητή λίμνη του Πολυφύτου, που αποτέλεσε μέρος της υδατογραφίας της περιοχής, μετά την κατασκευή του υδροηλεκτρικού φράγματος, στο πέρασμα μεταξύ του όρους Βερμίου και των Πιερίων.

Ο Αλιάκμονας είναι ένα από τους σημαντικότερους ποταμούς της Ελλάδας, ενώ η ροή του έχει επηρεάσει καθοριστικά την ζωή και τον πολιτισμό των κατοίκων, από την περιοχή των οποίων διέρχεται. Παρά τα προβλήματα μόλυνσης που αντιμετωπίζει, τα νερά του θεωρούνται καθαρά και φιλοξενούν αρκετά είδη ψαριών, ενώ το φαράγγι, το οποίο σχηματίζεται μεταξύ Βερμίου και Πιερίων, αποτελεί περιοχή, όπου διαχειμάζουν πολλά μεταναστευτικά πουλιά και συνιστά ένα σημαντικό βιότοπο.