• 支庁内には複数の分水嶺があり、郡の境界がほぼそれに沿っている。支庁中部の旭川市や上川郡南部の各町は石狩川の流域に当たり、その源流は上川町の石狩岳に求められる。また、南部の富良野市や空知郡の各町は石狩川支流の空知川流域になり、石狩川本流とは緩やかな丘陵地帯で隔てられている。空知川は西隣の空知支庁の砂川市で石狩川に合流する。

• 石狩川流域の北側には山岳地帯があり、塩狩峠などの北側は天塩川（川の水源は士別市の天塩川）の流域になる。ここには士別市、名寄市、中川郡、上川郡の一部が含まれる。この分水嶺の南側がかつての石狩国、北側が天塩国になっていた。

• 空知川流域とは山を隔てた支庁最南端の占冠村は太平洋に注ぐ鵡川流域になり、水源は同村内のトマム岳にある。同村は勇払郡であり、かつては胆振国や室蘭支庁（現在の胆振支庁）の一部として、同名の郡に属していた。

盆地と谷

• 支庁内は河川に沿って盆地が開けている。石狩川流域には上川盆地、空知川流域には富良野盆地があり、それぞれ谷によって石狩平野と分けられている。また、天塩川流域には名寄盆地がある。各平野にはそれぞれ中心都市があり、現在でも経済活動が盛んに行われている。

• この他、各河川の支流が周囲の山岳地帯から流れ出ているため、その谷間で開拓が進められた。豊かな資源を生かした林業や鉱山開発が行われたが、現在ではその多くが衰退し、急速な過疎化と廃村化が進んでいる。

気象

• 北海道の中北部にあり、周囲を山に囲まれた地域のため、内陸性気候となっている。気候は北海道のイメージに反し穏やかで、気象注意報・警報が出ることが少ない。冬も吹雪の日は少ない。
• 地震がほとんど発生しない地域である。

気温

• 冬の寒さが極めて厳しい。旭川市の旭川地方気象台は1902年1月25日に-41.0度を観測し、これが現在でも日本国内で記録された公式の最低気温記録となっている。旭川市では、1996～2005年の平均で冬日が年155.5日、真冬日が年80.6日である。占冠村は更に寒く、同期間の冬日は年185.6日に達し、21世紀の日本国内最低気温である-35.8度も2001年1月14日に記録している。この低温は生活上の障害となっているが、観光産業の基盤でもある。

• 一方、夏は比較的高温になり、旭川市では7月と8月の最高気温が1971～2000年の平年値で26度を超える。1996～2005年の平均では夏日が年58.1日で、道内の地方気象台設置都市で最多である。この高温が、上川盆地での大規模な稲作を可能にしている。

降水

• 降水量は日本国内では少なく、旭川市での平年値は1074.2mmとなっている。1996～2005年の平均でも1077.7mmで、そのうち4年は降水量が1000mmを下回った。梅雨の影響を受けないため、平年値では6月の降水量が5月を下回る63.8mmにとどまる。台風の影響は希に受けるが、同支庁を通過する際には勢力が衰え、移動速度が非常に速くなっているため、降水量はさほど増えない。旭川市で最後に1日の降水量が 100mmを超えた日は1990年までさかのぼる。なお、占冠村での年降水量は旭川より多く、1996～2005年の平均で1367.3mmになる。

• 豪雪地域とまでは言えないが、気温が低いため雪が溶けず、積雪量は多くなる。旭川市での平年値では、年間降雪量の合計756センチ、積雪最大値は96cmとなっている。また初雪は10月23日、最後の降雪は4月30日で、半年近くにわたり雪が降る事になっている。