İç Anadolu Bölgesi’nde yer alan Sivas, doğusunda Erzincan; güneyinde Malatya, Kahramanmaraş ve Kayseri; güneybatısında yine Kayseri; batısında Yozgat; kuzeyinde Tokat ve Ordu; kuzeydoğusunda da Giresun ile çevrilidir. İl topraklarının büyük bölümü Yukarı Kızılırmak, bir bölümü de Yeşilırmak ve Fırat havzalarında yer alır.
İl toprakları oldukça yüksek dağlık ve engebeli bir arazi yapısına sahiptir. Bu dağlar III.zamanda başlayan Alp kıvrımlaşması sırasında Kuzey ve Güney Anadolu dağ sistemleri de belirginleşmiştir. Kuzey Anadolu dağlarının güneye, Güney Anadolu dağlarının kuzeye açılan kolları il alanının büyük bölümünü kaplamaktadır. Kuzey Anadolu sistemine bağlı olan bu dağlar Kızılırmak vadisi ile Kelkit vadisi arasını doldurarak batı-doğu doğrultusunda uzanır. Toroslara bağlı dağlar ise Şarkışla’dan başlayıp ilin ortalarına doğru sokulur. Bu iki sıranın dışında kalan ve genellikle tek tek yükselen dağlar, ilin diğer yükseltileridir. Bu dağlar arasında vadiler, çukurlarda oluşan ovalar ve yüksek platolar bulunmaktadır.
Bu dağlık alanda Çoruk-Kelkit vadi oluğu ile ayrılan, doğudan batıya doğru Kızıldağ (3.015 m.), Köse Dağı (3.050 m.), Tekeli Dağı (2.621 m.) ve Yıldız Dağı (2.537 m.) iç dağ sıralarını oluştururlar. İlin doğu kesimini Çengelli Dağı (2.596 m.) ile Karasu-Aras Dağları’nın batı bölümünü oluşturan Yama Dağı, kuzey kesimini Giresun Dağlarının güneybatı uzantıların engebelendirir. Yama Dağı’nın bulunduğu kesimdeki dağlar aynı zamanda Divriği Dağları olarak da isimlendirilir. İlin orta kesiminde Tecer Dağları bulunmakta olup, Beydağ’ında 2.7.10 m.ye ulaşır.Bu dağların batısında İncebel, Karababa Dağları (2.235 m.) ve Akdağlar bululnmaktadır. İlin güney kesimini Hezanlı Dağı (2.283 m.) ile Göltepe’de 2.719 m.ye ulaşan Gövdeli Dağı engebelendirmektedir. Bunlar aynı zamanda Torosların uzantıları olup, ilin güney sınırını oluştururlar. İlin en yüksek noktası ise kuzeydoğudaki Kızıldağ’daki Peynirli Tepe’dir (3.025 m.).
İl arazisi farklı jeolojik dönemlerde oluşmuştur. İl merkezinde Yıldızeli-Hafik arasında I.Jeolojik dönemden kalmış yaşlı kütleler yer alırken, Yıldızeli-Şarkışla arasında II.Jeolojik dönemde oluşmuş arazi ana çatıyı oluşturur. İldeki dağlar, III.Jeolojik devirde Alp orojenezi ile belirginleşmiştir. Gemerek-Şarkışla yöresindeki akarsu boylarında ise IV.Jeolojik dönemde oluşmuş birikintilere rastlanır. İl topraklarının kuzeyinde yer alan Kelkit Vadisi birinci dereceden deprem kuşağında yer alır. Zara-İmranlı çizgisinin kuzeyi ikinci ve üçüncü dereceden deprem kuşağında yer alır.
Sivas’ta platolar geniş bir yer tutmaktadır. Uzunyayla’nın il sınırları içerisinde kalan doğu kesimi akarsularla bölünmüş olup ilin en büyük platosudur. İlin bir başka önemli platosu da Sivas’ın kuzeyindeki Meraküm Platosudur.
Sivas’ın coğrafi yapısında vadilerin önemi büyüktür. İl topraklarının yüksek kesimlerinden kaynaklanan akarsuların açtığı yarıklarda yer yer genişleyen alüvyonlu ovalar ve vadiler bulunmaktadır. Bunlardan Kızılırmak Vadisi Sivas’ın en önemli ve en uzun vadisi olup, İmranlı’nın doğusundan başlar ve dar bir oluk halinde uzanır. Zara’da biraz daha genişleyerek Merkez ilçenin içerisine girer. Kızılırmak Vadisini burada Fadlım ve Tecer ile Yıldızeli Çayı Vadisi de eklenir. İlin diğer önemli vadilerinden olan Çatlısuyu Vadisi Kangal Çayı Vadisi ismi ile, Tecer Dağları’nın güneybatı yamaçlarından başlar ve Yama Dağı’nın batısındaki Kalkım Çayı Vadisi ile Çetinkaya yakınlarında birleşir. Bundan sonra doğuya doğru yönelen vadi Tatlı Çayı Vadisi ismi altında dar bir yarık biçiminde Divriği’ye kadar uzanır. Bu vadilerin dışında il topraklarında, Kulmaç Dağı’nın güney yamaçlarından başlayarak Malatya’ya kadar uzanan Tohma Vadisi, Giresun Dağlarının güney yamaçlarından başlayan Canik, Giresun, Otlukbeli ve Kösedağları arasında uzanan Kelkit Vadisi bulunmaktadır.
