Diện tích Thiểm Tây là khoảng 205.800 km², chiều dài bắc-nam là khoảng 870 km, chiều dài đông-tây là khoảng 200–500 km. Thiểm Tây có hình dạng lãnh thổ hẹp và dài, địa thế cao ở nam và bắc, thấp ở trung gian. Thiểm Tây có nhiều loại địa hình: cao nguyên, núi non, đồng bằng, bồn địa. Có thể phân Thiểm Tây thành vùng cao nguyên Hoàng Thổ ở Thiểm bắc, đồng bằng Quan Trung, vùng núi Tần-Ba và thung lũng Hán Giang ở Thiểm Nam. Trong đó, diện tích cao nguyên là 92.600 km², diện tích vùng núi là 74.100 km², diện tích vùng đồng bằng là 391.000 km². Các dãy núi chủ yếu tại Thiểm Tây là Tần Lĩnh và Đại Ba Sơn. Đoạn Tần Lĩnh trên địa phận Thiểm Tây có độ cao từ 1000-3000 mét với nhiều đỉnh núi nổi tiếng tại Trung Quốc như: Hoá Sơn, Thái Bạch Sơn, Chung Nam Sơn, Ly Sơn. Đại Ba Sơn nằm ở cực nam của Thiểm Tây với độ cao từ 1.500-2.000 mét. Vùng cao nguyên Hoàng Thổ ở Thiểm Bắc có độ cao từ 800-1.300 mét. Vùng đồng bằng Quan Trung kéo dài từ Bảo Kê về phía đông đến Đồng Quan với độ cao trung bình là 520 mét.