Большая часть территории Одесской области относится к Причерноморской низменности, постепенно понижающейся к Чёрному морю.

В северной части области расположены отроги Подольской возвышенности (высота до 268 м), изрезанные глубокими балками и оврагами. С востока и юго-востока омывается Чёрным морем, на берегу которого — многочисленные лиманы (крупнейшие — Куяльницкий и др.; см. ниже). В междуречье Днестра и Прута вдоль границы с Молдавией (на Ю-З) высоты достигают 232 м. Характерна значительная густота и глубина расчленения поверхности овражно-балочной сетью, глубина вреза долин местами достигает 120 м.

Речная сеть области принадлежит бассейнам Чёрного моря, Днестра, Южного Буга. На территории области насчитывают около 200 рек длиной более 10 км, многие из которых в летний период подвержены пересыханию. Главные реки: Дунай (с Килийским гирлом), Днестр (с притоком Кучурган), Кодыма и Савранка (приток Южного Буга). Дельта Дуная и плавни Днестра местами заболочены. Крупные реки имеют важное хозяйственное значение для судоходства, орошения и получения гидроэнергии.

Длина (лиманных и) морского побережья от гирла реки Дунай до Тилигульского лимана достигает 300 км.
В приморской полосе много пресноводных (Кагул, Ялпуг, Катлабух) и солёных (Сасык, Шаганы, Алибей, Бурнас) озёр. Также на побережье находится большое количество лиманов (крупнейшие Днестровский, Куяльницкий иХаджибейский) полностью или частично отгороженных от моря песчано-ракушечными пересыпями.

Наиболее характерные почвы — чернозёмы южные и обыкновенные, средне- и малогумусные; на Севере преобладают чернозёмы малогумусные и оподзоленные. В приморской части области — чернозёмы южные солонцеватые. По долинам и балкам повсеместно распространены чернозёмно-луговые солончаковатые почвы исолончаки.

Климат влажный, умеренно континентальный. В целом климат сочетает черты континентального и морского.

Зима мягкая, малоснежная и неустойчивая; средняя температура января от −2 °C на юге до −5 °C на севере. Возможны кратковременные, до 7-15 дней, морозы примерно −25 °C — −30 °C. Сильные ветры, 7-15 м/с, особенно в феврале в южной части области. Для весны характерны пасмурная погода, туманы в связи с охлаждающим влиянием моря.

Лето преимущественно жаркое, сухое; средняя температура июля от 21 °C на северо-западе до 23 °C на юге; максимальная до 36-39 °C (в последние годы и более). Осень продолжительная, теплее весны, в основном облачная. Среднегодовая температура колеблется от 8,2 °C на севере до 10,8 °C на юге области. Общая сумма осадков 340—470 мм в год, главным образом выпадают летом (часто в виде ливней). Число часов солнечного сияния около 2200 в год. Продолжительность вегетационного периода 168—210 суток с общей суммой температур от 28 до 34 °C.

Зимой преобладают северные и юго-западные ветры, летом — северо-западные и северные. Южная половина области подвержена засухам, пыльным бурям, суховеям.

В области насчитывается свыше 2,5 млн га сельскохозяйственных угодий, в том числе более 2 млн га пашни, больше 80 тыс. га виноградников и садов. Из-за засушливого климата (особенно сухого на юге области) почти 10 % обрабатываемых земель орошаются.

Изначально на территории Одесской области преобладал степной ландшафт, в частности разнотравно-типчаково-ковыльные степи. В настоящее время подавляющее большинство этих степей распахано и используется для земледелия. На севере области сохранились небольшие дубравы (дуб обыкновенный, бук, ясень, липа) — естественная граница степи илесостепи (климатические курортные и рекреационные местности в северных районах области). На территории области много ветрозащитных полос (более 25 тыс. га), высаженных из акаций, абрикоса, клёна и дрВ области насчитывается 92 территории и объекта природно-заповедного фонда, 2 памятника природы республиканского значения — Одесские катакомбы и Михайловский яр. В дельте Дуная расположен уникальный биосферный заповедник «Дунайские плавни». На берегу Тилигульского лимана расположен Тилигульский региональный ландшафтный парк.

По богатству курортных ресурсов Одесская область занимала одно из ведущих мест в Российской империи и СССР, ныне — на Украине. Благоприятные климатические условия приморской зоны, обширные пляжи и тёплое море позволили создать здесь хорошие климатические курорты. Целебные свойства морского воздуха на побережье обусловлены насыщенностью его солями хлора, брома, йода, а также бризовой циркуляцией (днём морской бриз дует с моря на нагретое побережье, ночью береговой бриз — с охлаждённого побережья на море). Всё это благоприятствует проведению аэроионотерапии, гелиотерапии, талассотерапии и морских купаний.

Климат как основной лечебный фактор используется (в виде воздушных и солнечных ванн, ночного сна на берегу моря и др. процедур) на курортах Аркадия, Большой Фонтан, Каролино-Бугаз-Затока, Лермонтовский, Лузановка, Черноморка.

Многочисленные лиманы на побережье Чёрного моря являются источником ценных в терапевтическом отношении лечебной грязи и рапы. Основные запасы грязи сосредоточены в лиманах и озёрах Куяльницкий, Хаджибейский, Будакский (Шаболатский), Алибей, Шаганы, Бурнас, — являются основным методом леченья на курортах Куяльницкий, Хаджибейский, Холодная Балка, Малодолинское, Сергеевка; более того, грязь Куяльницкого лимана, отличающаяся высокой терапевтической активностью (и большими запасами), применяется почти во всех санаториях Одесской группы курортов. Рапа лиманов применяется для ванн, главным образом на курортах Куяльницкий, Хаджибейский, Малодолинское.

Почти на всех одесских курортах широко применяют ванны, душ, орошения, обтирания и др. процедуры из морской воды, а также искусственные газовые ванны (углекислые, азотные и др.), радоновые и др. ванны, приготовляемые на морской воде.

Наряду с этими издавна использовавшимися курортными факторами, прославившими одесские курорты, на территории области обнаружены также значительные запасы мин. вод, которые перспективны для курортного лечения. Так, близ пос. Татарбунары имеются сульфидные воды, содержащие 124 мг/л сероводорода; в районе г. Арциз — йодо-бромные воды с концентрацией йода 40 мг/л и брома 98,4 мг/л;
на Куяльницком курорте — хлоридные натриевые воды, используемые для питьевого лечения и розлива в бутылки (для питьевого лечения используют также воду курорта Большой Фонтан). В районе курорта Сергеевка — высокоминерализованные бромные воды (гидрокарбонатно-хлоридная натриевая вода одного из источников разливается в бутылки под названием «Виктория»).

На начало 80-х функционировали 45 санаториев, в том числе 14 в ведении профсоюзов, 16 детских санаториев (в ведении органов здравоохранения); 11 домов отдыха; пансионаты, многочисленные базы отдыха и турбазы… Об основных курортах Одесской области см. также в ст. Одесская группа курортов.

В Одессе находится НИИ курортологии Министерства здравоохранения Украины.