奧倫堡州位於南烏拉爾山山麓。其南與哈薩克共和國相鄰，西及西北部與薩馬拉州相連，北部與韃靼斯坦共和國接壤。奧倫堡州的西部為高地丘陵，中部是古別爾林斯克山壠崗(高達667米)。該州境內的主要河流有烏拉爾河及支流、薩馬拉河、奧裡河、伊列克河。其東南部有許多內陸湖。在南烏拉爾山南端的東、西坡。面積12.4萬平方公里。

東部地勢較高，西部屬草原，間有低山、丘陵。大陸性氣候顯著，東和東南部乾旱。1月平均氣溫-14--18℃，7月19-22℃。年降水量300-450毫米。烏拉爾河流經全境，富灌溉之利。天然氣、石油、岩鹽及油頁岩豐富。

奧倫堡州的氣候為明顯的大陸性氣候，一月份平均溫度在零下14℃～零下18℃之間，七月份平均溫度在19℃～22℃之間；降雨量大約為每年300～400毫米。

該州常見土壤為優質黑鈣土，植被為草原及森林草原(大部分已被開墾)。此外，該州還有大片的布祖魯克針葉林地帶。