Τα φυσικά όρια του νομού είναι στα βόρεια η λεκάνη της λίμνης Δοϊράνης, βορειοανατολικά το όρος Μπέλλες (2.031 μ.), ανατολικά τα όρη Κρούσσια (860 μ.) και Μαυροβούνιο, δυτικά το όρος Πάικο και νότια το όρος Βερτίσκος και η πεδιάδα της Θεσσαλονίκης. Η γενική κλίση του εδάφους είναι προς τα νότια και συγκεκριμένα προς το Θερμαϊκό Κόλπο.

Γι’ αυτόν το λόγο, τα περισσότερα ποτάμια, με σημαντικότερο τον Αξιό, έχουν ανάλογη φορά. Ο νομός έχει έκταση 2.519 τ.χλμ., που αντιστοιχεί στο 13,8% της συνολικής έκτασης της Περιφέρειας. Το 65% της έκτασής του είναι πεδινό, ποσοστό αρκετά υψηλότερο του αντίστοιχου της Περιφέρειας και πολύ μεγαλύτερο αυτού του συνόλου της χώρας.

Τα κυριότερα βουνά του Νομού είναι:

• Το Πάικο με υψόμετρο 1.650 μέτρα. Κορυφές του είναι η Γκόλα-Τσούκα (1.650 μ.) η Σκρα (1.097 μ.), Πύργος (1.494 μ.), Βουλάρες (1.408 μ.), Τσούμα (1.219 μ.), Βερτόπια (1490 μ.) και Κάντασι ή Καντάστι (1607 μ.).
• Το βουνό Κερκίνη ή Μπέλες. Βρίσκεται στο ανατολικό τμήμα του Νομού, κατά μήκος των συνόρων της Ελλάδας με την π.Γ.Δ.Μ. και τη Βουλγαρία. Ψηλότερη κορυφή του είναι το Τριεθνές (1.888 μ.). του οποίου μικρό μόνο τμήμα ανήκει στο νομό Κιλκίς.
• Το Δύσωρο ή Κρούσσια. Η ψηλότερη κορυφή του είναι στα 860 μ. και στους πρόποδές του βρίσκεται η πόλη του Κιλκίς.

Ποτάμια του Νομού Κιλκίς είναι:

• Ο Αξιός ή αλλιώς Βαρδάρης, ο οποίος έχει μήκος 83 χλμ και διαρρέει το δυτικό τμήμα του νομού. Παραπόταμοί του είναι το Μέγα Ρέμα που πηγάζει απ’ το Πάικο, τοΡέμα Βούρκουπου πηγάζει από τα υψώματα του Γυναικοκάστρου, ο Στραβοπόταμος, ο Γοργόπης κ.ά.
• Ο Γαλλικός (ή Εχέδωρος) ο οποίος πηγάζει από τα Κρούσσια και εκβάλλει στο Θερμαϊκό κόλπο.

Ο νομός Κιλκίς στη μεγαλύτερή του έκταση είναι πεδινός. Τα πεδινά του εδάφη καταλαμβάνουν έκταση 1.666 τ.χλμ.

Λίμνες έχει τη Δοϊράνη (ή Πρασιάδα) με έκταση τα 33 τ.χλμ., πλούσια σε ψάρια και την Πικρολίμνη με έκταση που κυμαίνεται από 3,7 έως 4,5 τ.χλμ., της οποίας το νερό έχει υψηλή αλατότητα(τρεις φορές μεγαλύτερη από τηΝεκρά Θάλασσα) και λόγω των πετρωμάτων έχει ιαματικές και καλλυντικές ιδιότητες.

Το κλίμα του Νομού είναι ηπειρωτικό, εντονότερο στα ορεινά και βόρεια διαμερίσματα του Νομού. Ο χειμώνας πολύ ψυχρός και το καλοκαίρι θερμό.