Le département est constitué de plusieurs régions naturelles : le plateau du Thymerais (Châteauneuf, Brezolles, Senonches) au nord-ouest, qui appartient au Perche, et le Drouais (Dreux) au nord-est, qui appartient au Bassin parisien, sont deux régions de transition entre le Perche, la Normandie et l'Île-de-France.
Le Faux Perche qui s'étend de l'Eure au sud du département est une région de transition entre les collines du Perche à l'ouest (région de Nogent-le-Rotrou et de La Loupe) et la zone plate constituée par la Beauce au centre, à l'est et au sud qui constitue la principale région d'Eure-et-Loir. Celle-ci comprend la Beauce proprement dit (Chartres, Voves, Auneau, Janville, Orgères-en-Beauce) et la Beauce dunoise (Châteaudun, Cloyes-sur-le-Loir) au sud.
La Beauce constitue l'essentiel du territoire de ce département. Située au sud-est, c'est la région de plaine à culture céréalière bien connue.
L'ouest du département est constitué d'une partie du Perche, avec ses paysages de collines et de bocages.
Au nord-ouest, on trouve le Thymerais et le Drouais, qui ont déjà des allures de Normandie.
Le point culminant d'Eure-et-Loir, est situé dans le Perche. C'est la colline de Rougemont, sur la commune de Vichères, à 5 kilomètres de Thiron-Gardais. Son altitude est de 282 mètres[1].
L'endroit le plus bas est situé à l'endroit où l'Eure quitte le département, à 48 mètres d'altitude.
Le département doit son nom aux deux rivières qui le traversent : l'Eure, qui est un affluent de la Seine, et le Loir, qui appartient au bassin de la Loire.
La situation du département d'Eure-et-Loir sur la ligne de séparation des eaux des bassins de la Seine et de la Loire en fait un département aux régions contrastées.
Le point le plus au nord se situe sur la commune de Guainville. Il est également point limitrophe de 3 départements : l'Eure-et-Loir, l'Eure au nord-ouest et les Yvelines au nord-est (48° 56′ 27,6″ N, 1° 30′ 05″ E).
Est
Le point le plus à l'est se situe sur la commune de Rouvray-Saint-Denis. Il est tout proche du point limitrophe de 3 départements, situé sur la même commune au nord : l'Eure-et-Loir, l'Essonne au nord-est et le Loiret au sud-est (48° 16′ 58″ N, 1° 59′ 40″ E).