По своим природным и климатическим условиям автономная область принадлежит к одному из благоприятных уголков Дальнего Востока России. Её территория представлена двумя типами рельефа — горным и равнинным. Горные области — южная часть обширной Хингано-Буреинской горной системы, занимающая примерно половину всей площади. Равнинная часть, простирающаяся на юге и востоке, представляет западную окраину Средне-Амурской низменности.

Климат умеренный, муссонный. Зима малоснежная и холодная (средняя температура января от −21 °C на крайнем юге до −26 °C в горах), лето тёплое и влажное. Значительное влияние на климат оказывает рельеф местности. В течение года на равнине выпадает 450—500 мм осадков, причем около 75 процентов осадков выпадает в период с мая по сентябрь.

Главное богатство области — плодородные земли, разнообразные полезные ископаемые, реки Амур, Бира, Биджан и их притоки с разнообразной ихтиофауной, обширные леса. Из 1,7 млн га лесных угодий 160 тыс. га занято кедровыми лесами, 249 тыс. га — елово-пихтовыми, 163 тыс. га — лиственничными. Запас древесины составляет 202 млн м³ (Государственный лесной реестр, 2009).

С юго-запада, юга и юго-востока на протяжении 584 км территория области омывается водами одной из величайших рек Евразии — Амура. Ширина русла у западных границ области (близ села Пашково) — 1,5 км, у восточных — 2,5 км. Амур покрыт льдом 5 месяцев — с конца ноября до двадцатых чисел апреля. Зимой толщина льда достигает 2 м, что позволяет осуществлять по реке грузовые и пассажирские перевозки. Навигация продолжается в среднем 180 дней. К бассейну Амура принадлежит ряд крупных (длиной более 10 км) и 1146 малых (длиной менее 10 км) рек. Это Бира, Биджан, Биракан, Ин, Урми, Икура и другие. Общая протяжённость речной сети составляет 8231 км. Верховья рек Бира и Биджан служат нерестилищем для дальневосточной кеты.

Флора области включает в себя сотни наименований растений, в том числе более 200 медоносных, около 300 видов лекарственных, тайга богата ягодами, грибами и орехами. Разнообразен животный мир: здесь водятся бурый и гималайский медведи, непальская куница, лисица, колонок, соболь, кабан, лось, изюбр, фазан, различные породы уток. Фауна млекопитающих насчитывает 59 видов.

В водоёмах области обитает 73 вида рыб, в том числе белый и чёрный амур, верхогляд, желтощёк, калуга, кета, ленок, амурский лещ, осётр, сазан, налим, таймень, толстолоб, хариус, щука и другие. Семь видов, нуждающихся в особой охране, занесены в Красную книгу России. Для воспроизводства дальневосточного стада лососёвых рыб в области действует два рыборазводных завода мощностью закладки 64,5 млн икринок в год.

Пять государственных природных комплексных заказников занимают 225 тыс. га, что составляет 7 % территории области.

Благоприятные почвенно-климатические условия, значительная продолжительность вегетационного периода, высокая годовая сумма положительных температур и обилие осадков в тёплый период года позволяют выращивать многие сельскохозяйственные культуры — зерновые и зернобобовые (в том числе сою), овощи, картофель, бахчевые. Важными отраслями сельскохозяйственного производства являются мясное и молочное животноводство, птицеводство.

Земельные ресурсы области составляют 36 266 км². Имеется 391,1 тыс. га сельскохозяйственных угодий, в том числе около 136,1 тыс. га пахотных земель. При проведении мелиоративных работ площадь пашни может быть увеличена в 3—4 раза.