L'Azerbaigian è un piccolo paese situato sulla riva occidentale del Mar Caspio, nella zona sud-orientale delle montagne del Grande Caucaso. Il Piccolo Caucaso si estende lungo il confine occidentale. L'Azerbaigian confina a nord-est con la Russia, a nord-ovest con la Georgia, a ovest con l'Armenia, a sud con l'Iran e a sud-ovest (per soli 10 km) con la Turchia. Il fiume Aras scorre lungo il confine meridionale e confluisce nel fiume Kura, che nasce dalle montagne nord-occidentali e raggiunge la costa sud-orientale dove sfocia nel Mar Caspio.

A ovest, una zona dell'Azerbaigian (5500 kmq) chiamata Repubblica Autonoma del Naxçivan, è separata dal resto del paese da circa 50 km di territorio armeno. Un'altra zona, la Provincia Autonoma del Nagorno-Karabakh, si trova all'estremità sud-occidentale dell'Azerbaigian, ma si è proclamata indipendente dopo in seguito alla guerra con l'Armenia (la popolazione del Karabakh è oggi per la maggior parte armena) e rimane sotto il controllo armeno, così come la maggior parte del territorio circostante. Uno stretto corridoio al centro del quale si trova la città di Lachin fa da ponte tra il Karabakh e l'Armenia.

La cima più alta dell'Azerbaigian è il Monte Bazardyuzyu, perennemente innevato e alto 4465 m, nel gruppo del Caucaso. La regione di Sheki Zakataly, appena a sud delle montagne, è ricca di fiumi e densamente popolata (in questa zona si trova anche uno degli insediamenti umani più antichi della regione). Produce cereali, frutta, tabacco e noci. Le pianure costiere producono frutta, verdura e cereali. Il paese produce moltissimo petrolio e gas naturale, presenti per la maggior parte sulla penisola di Absheron e al largo delle coste del Mar Caspio.

In Azerbaigian ci sono più di 400 specie di piante, tra cui 200 varietà endemiche. I pendii più bassi delle catene montuose sono coperti di foreste di querce, carpini, faggi, frassini e aceri, mentre le pianure costiere meridionali sono coperte di aranci.

Gran parte della fauna del paese è costituita da rettili; sulle montagne, tuttavia, sono diffusi capre, cervi, orsi e cinghiali. L'Azerbaigian ospita più di 12.000 specie animali, tra cui 350 specie di uccelli (200 delle quali possono essere viste presso la Riserva di Kizilagadj, nella pianura di Lenkoran). Nelle pianure costiere si possono incontrare le gazzelle, mentre nella foresta di Talysh a sud di Lenkoran vivono tigri e porcospini. Le acque del Mar Caspio sono ricche di storioni (quattro quinti degli storioni del mondo si trovano qui), aringhe, salmoni e di una varietà rara di luccio.

L'Azerbaigian comprende nove zone climatiche, di conseguenza il suo clima va dalle temperature estreme delle montagne settentrionali e occidentali a quelle assai moderate delle coste del Mar Caspio. In primavera ed estate (da metà aprile a ottobre), le temperature sono comprese tra i 20° e i 30°C, mentre tra dicembre e marzo sono comprese tra i 5° e i 10°C.