ЦЭР находится в центре Русской равнины. Рельеф волнистый, местами сильно расчлененный. Поверхность западной части более приподнята. Здесь располагаются Валдайская, Смоленская, Московская, Среднерусская возвышенности. Но максимальные высоты не превышают 300 м над уровнем моря. На севере и востоке района преобладает равнинный рельеф (Верхневолжская и Мещерская низменности) . В целом рельеф благоприятен для хозяйственной деятельности. Природные условия в основном благоприятны для развития сельского хозяйства.
ЦЭР лежит в пределах атлантико-континентальной климатической области умеренного пояса.
Для него характерны не слишком холодная зима и теплое, но не чрезмерно жаркое лето. Во все сезоны преобладают западные ветры, приносящие воздух атлантического происхождения. Наиболее низкие температуры наблюдаются в январе: в среднем от -8° на западе до -12° на востоке района. Летом различия внутри района гораздо меньше, чем зимой: от +18° на северо-западе до +20° на юго-востоке. Годовая амплитуда температуры воздуха в Центре сравнительно невелика (26-30°). Среднее продолжительность безморозного периода составляет 125-140 дней для открытого ровного места, а сумма температур за это время 1800-2300°, что позволяет успешно возделывать в Центре большую часть зерновых, картофель, овощи, кормовые травы, лен. Среднегодовое количество осадков составляет 450-600 мм.
Большая часть района принадлежит бассейну Волги и находится в основном в лесной зоне (хвойно-широколиственные леса) , и только южные окраины (в Тульской, Орловской и Рязанской областях) заходят в лесостепную зону. Леса занимают 25—30\% территории района (около 17 млн га) . Почвы дерново-подзолистые, дерново-луговые, торфяно-болотные, серые лесные и деградированные черноземы на юге.
Для ЦЭР в целом характерен равнинный рельеф, обусловленный особенностями геологического строения. Эта территория в тектоническом отношении представляет собой часть обширной Русской платформы. Хотя в целом Центр является равнинным районом, в его пределах можно довольно ясно различить разные по характеру рельефа области. На северо-западе расположена Валдайская возвышенность, к которой примыкают обширные низины. Южнее в широтном направлении через Смоленск, Вязьму и далее тянется Смоленская возвышенность. На юго-западе в пределы Центра заходит краем Приднепровская низменность. На юго-востоке Центра представлено одно из звеньев обширного пояса низин, одной из которых является Мещерская низменность. Южная часть Центра лежит в пределах среднерусской возвышенности, которая на востоке переходит в Окско-Донскую низменность. Наиболее пониженная часть района — это долина реки Оки.
Поверхностные водные, источники района, представлены разветвленной речной сетью, относящейся к бассейнам Каспийского, Черного и Балтийского морей. Обеспеченность ресурсами поверхностных вод территории района уменьшается с севера-северо-запада на юг-юго-восток. Наиболее крупные реки района — Волга с притоками Окой, Мологой, Костромой и другими, Днепр с Десной, Западная Двина, Дон. Однако в результате положения в районе главных водоразделов в Центре нет особенно крупных водостоков — все значительные реки протекают здесь своими верховьями, набирая полную силу уже за пределами района. Судоходные реки — Волга, Ока, Москва. Другие реки района не имеют большого транспортного значения и в основном играют роль местных источников водоснабжения. Озера многочисленны, но не велики. Северная половина района отличается значительной заболоченностью. Почти повсеместно здесь встречаются тысячи больших и малых болот.
По сравнению с другими районами России ЦЭР сравнительно беден природными, особенно ископаемыми, ресурсами. Имеющиеся ресурсы топлива, железных руд, некоторых нерудных ископаемых, как правило, и в количественном и в качественном отношении занимают весьма скромное место.