Tümüyle Fırat Havzası içerisinde kalan İl, doğal sınırlarla kuşatılmış yüksek bir bölgedir. Doğu Toros Dağlarının uzantıları doğu-batı yönünde uzanarak ilin kuzeybatısını, kuzeyini ve kuzeydoğusunu hemen hemen bütünüyle kaplar. Bu dağlar aşılması güç sıralar oluşturduğu için Tunceli, Türkiye'nin doğu ucunda Iğdır Ovasından başlayıp Erzincan Ovasına kadar uzanan verimli çöküntü alanıyla bütünleşememiştir. Bu dağlar, yer yer hem yüzey sularıyla aşınarak hem de akarsular tarafından derince oyularak yüksek platolara dönüşmüştür. Vadiler çok dar ve dik olup vadi tabanlarında ovalar oluşmamıştır.
Güneyden kuzeye ve batıdan doğuya yükselen il topraklarının % 70'ini dağlar, % 25'ini platolar, % 5'ini ovalar ve düzlükler oluşturmaktadır.
Tunceli İlinin genel iklimi, yazları sıcak ve kurak, kışları yağışlı ve soğuktur. Yağışlar genellikle sonbahar ve ilkbahar aylarında yağmur, kış aylarında kar şeklinde olmaktadır.