Con la sua superficie di quasi due milioni di chilometri quadrati, il Messico si estende da nord-ovest a sud-est, restringendosi a sud nell'istmo di Tehuantepec per proseguire verso nord-est fino alla penisola dello Yucatán. A ovest e a sud è delimitato dall'Oceano Pacifico; la penisola della Baja California è separata dal continente dal Golfo di California. La costa orientale del paese è delimitata dal Golfo del Messico mentre la costa orientale della penisola dello Yucatán si affaccia sul Mar dei Caraibi. Il Messico confina con gli Stati Uniti a nord e con il Guatemala e il Belize a sud-est.

Il Messico è un paese montagnoso caratterizzato da due catene che si estendono da nord a sud e racchiudono un gruppo di vasti altipiani centrali chiamati collettivamente Altiplano Central. Nella parte meridionale del paese la Sierra Madre del Sur attraversa gli stati del Guerrero e dell'Oaxaca e giunge all'istmo di Tehuantepec. Dall'istmo una stretta distesa di pianure segue la costa del Pacifico verso sud fino al Guatemala. Dietro tali pianure si trovano gli altipiani del Chiapas, i quali diventano poi una foresta pluviale tropicale che si addentra fin nel Guatemala settentrionale. La piatta e bassa penisola dello Yucatán è occupata dalla savana tropicale fino alla sua estremità, dove la vegetazione cede il passo a una zona arida simile al deserto.

Il Messico si estende dalle regioni temperate a quelle tropicali e si trova alle latitudini che ospitano la maggior parte dei deserti del mondo, quindi presenta una vastissima gamma di ambienti naturali e di tipologie di vegetazione. A tale varietà si aggiungono le aspre catene montuose, che creano innumerevoli microclimi. L'ambiente possiede potenzialmente un'enorme biodiversità ma ha dovuto subire un fortissimo impatto umano: prima della conquista spagnola circa due terzi del Messico erano coperti di foreste mentre ora esse occupano solo un quinto del paese, principalmente nel sud e nell'est. I bovini domestici hanno spinto animali quali il puma, il cervo e il coyote in piccole zone isolate. Sono ancora diffusi gli armadilli, i conigli e i serpenti e le foreste tropicali del sud e dell'est ospitano ancora, in alcuni luoghi, scimmie urlatrici e scimmie ragno, giaguari, ocelot, tapiri, formichieri, pecari (un tipo di maiale selvatico), cervi, are macao, tucani e pappagalli e alcuni rettili tropicali come il boa constrictor. Anche l'habitat di questi animali viene tuttavia progressivamente distrutto.

Il clima del Messico varia a seconda della conformazione del territorio: è caldo umido nelle pianure costiere su entrambi i versanti del paese, ma si fa molto più secco e temperato nell'interno e ad altitudini più elevate, come a Guadalajara e Città del Messico. La calda stagione delle piogge è da maggio a ottobre e nella maggior parte del paese i mesi più caldi e piovosi sono quelli compresi tra giugno e settembre. Nelle basse zone costiere piove di più e le temperature sono più alte che nelle regioni elevate dell'interno. Il periodo più fresco in genere è da dicembre a febbraio, quando i venti del nord possono rendere piuttosto freddo l'interno del Messico settentrionale, con temperature che talvolta si avvicinano allo zero.