Horopisně náleží území kraje k západním Karpatům. Podstatná část území je kopcovitá či hornatá, přičemž nejvyšší hřebeny leží na východě na hranici se Slovenskem a s Moravskoslezským krajem. Na jihu jsou to Bílé Karpaty s nejvyšší horou Velká Javořina (970 m). Na ně navazují Javorníky s nejvyšší horou Velký Javorník (1072 m) a posléze Moravskoslezské Beskydy. Zde se nachází i nejvyšší bod Zlínského kraje – Čertův mlýn (1205 m), který leží na hranici se sousedním Moravskoslezským krajem. Na západě a jihozápadě má kraj i úrodné nížiny – Haná na Kroměřížsku a Slovácko na Uherskohradišťsku. Na jihozápadě kraje se zvedají Chřiby s nejvyšším bodem Brdo (587 m). Mezi Chřiby a výše zmíněnými pahorkatinami probíhá od západu z Olomouckého kraje Hornomoravský úval přes Kroměřížsko až na Zlínsko. Kolem řeky Moravy, na Uherskohradišťsku, probíhá Dolnomoravský úval, který dále pokračuje do Jihomoravského kraje.
Území kraje odvodňuje řeka Morava a její přítoky, např. Bečva a Olšava. Morava se vlévá do Dunaje, který její vody odvádí do Černého moře. Okrajové části kraje na severu a severovýchodě odvodňuje řeka Odra do Baltského moře. Okrajové části na východě patří do povodí řeky Váh (např. povodí řeky Vlára), který se vlévá do Dunaje.
Zlínský kraj má velkou rozlohu chráněného krajinného území. Velkoplošná území zahrnují dvě chráněné krajinné oblasti, Beskydy a Bílé Karpaty, která zahrnují zhruba 30 % území. CHKO Bílé Karpaty patří mezi šest biosférických rezervací UNESCO v republice. Na území kraje se také nachází množství přírodních rezervací a přírodních památek.