Rzeźba terenu Region leży na Nizinie Wschodnioeuropejskiej, a dokładniej – na środkowych i zachodnich terenach Wyżyny Nadwołżańskiej, stanowiącej część owej równiny. Ten łagodnie pofałdowany obszar zajmuje znaczną część powierzchni obwodu, a jedynie na krańcach zachodnich rozciągają się tereny bardziej płaskie, będące częścią Niziny Ocko-Dońskiej.
Hydrografia Na terenie obwodu znajduje się ponad 200 rzek oraz trudna do określenia liczba mniejszych cieków wodnych.
Największe rzeki regionu: Sura Moksza Chopior Worona
Gleby Na terenie obwodu penzeńskiego przeważają urodzajne gleby czarnoziemowe. Zajmują one 68% wszystkich ziem wykorzystywanych rolniczo i przeważają na większości ziem obwodu, a jedynie na wschodzie i północnym wschodzie regionu dominują szaroziemy leśne.
Klimat mały|250px|diagram ukazujący temperatury i wielkość opadów w regionie na przykładzie leżącej w jego centrum Penzy
Temperatura W obwodzie penzeńskim panuje klimat umiarkowany kontynentalny, charakteryzujący się ciepłym latem i dość chłodną zimą. Kontynentalne cechy lokalnego klimatu narastają w miarę posuwania się na z zachodu na wschód.