El territorio relativamente pequeño de Cataluña se caracteriza por una gran variedad de paisajes. En el norte, las cumbres de los Pirineos se elevan y son sustituidas por verdes valles cubiertos de bosques de coníferas. Hay lagos cristalinos y cadenas montañosas de las formas más extrañas, entre ellas el mundialmente famoso Monserrat. Los paisajes montañosos son sustituidos por los valles fértiles y accidentados de las regiones centrales, donde abundan los campos de trigo y los viñedos. En el suroeste se extienden zonas más llanas de clima árido. Estas regiones soleadas albergan viñedos, olivares y huertos.

La región se encuentra en varias zonas climáticas. Las zonas costeras densamente pobladas de Tarragona, Barcelona y Girona se caracterizan por un clima mediterráneo continental, mientras que las tierras altas de los Pirineos tienen un clima alpino.

En la costa mediterránea, los meses de verano son secos y calurosos, con temperaturas que alcanzan los +30°C. La temperatura media en agosto en Barcelona es de +30°C. La temperatura media en agosto en Barcelona es de +23,7°C, momento en el que el mar se calienta hasta los +25°C. Dependiendo de la zona, los inviernos pueden ser suaves o frescos. La temperatura media de enero en Barcelona es de +8,9°C, y la temperatura media anual es de +15,6°C. Incluso en las zonas de los Pirineos próximas a la costa, las nevadas no son infrecuentes. El índice anual de precipitaciones es de 628 mm.

La primavera y el otoño son las estaciones más lluviosas en toda la región, a excepción de los valles pirenaicos, donde las precipitaciones alcanzan su máximo en los meses de verano. En las zonas del interior, los meses de verano son más calurosos. Los meses más secos en la costa son febrero, marzo, junio y julio. Las temperaturas diurnas pueden alcanzar los +35º, a veces +40ºC. Las temperaturas nocturnas son más bajas que en las zonas costeras, oscilando entre +14º y +16ºC. A menudo se forman nieblas en los valles del Segre y otros ríos, y en invierno se producen periódicamente lluvias finas y frías.

La diversidad de paisajes y zonas climáticas de Cataluña predetermina la diversidad de su flora y fauna. La región alberga varias zonas protegidas, como reservas naturales y parques nacionales.

Entre sus majestuosos acantilados crecen robles piñoneros que albergan jabalíes, wyverns, salamandras y palomas torcaces. Entre las principales reservas naturales y parques nacionales figuran también el Delta del Ebro en Tarragona, el Parque de Aiguestortes en Lérida y las reservas naturales del Cabo de Creus y Garrocha en Gerona. Decenas de miles de parejas de aves anidan en el Delta del Ebro. Hay garzas rojas, egipcias y amarillas, kwakwas, ánades reales, patos grises, patos de pico ancho, patos lobo, águilas reales, patos colorados, zancos, cercetas de los prados, gaviotas de Oduena, charranes cariblancos, chicos, de río, moteados y gaviotines, lavanderas boyeras y grandes huscadas.

En el Parque Nacional de Aiguestortes, rodeado de paisajes montañosos, hay un total de 272 lagos. Las orillas de los ríos y arroyos están cubiertas de abedules blancos, los pinos crecen en las laderas de las montañas, y también se encuentran avellanos, fresnos, tejos europeos, álamos temblones, sauces y arces. Hay jabalíes, rebecos, ardillas rojas, martas, lirones, águilas reales, urogallos y perdices. En el territorio de la Reserva de Garrochi hay una treintena de conos volcánicos. Sus valles montañosos están cubiertos de robledales, hayedos y alisedas. Entre las aves que habitan la zona figuran el azor, el halcón peregrino y el milano común.