Рельєф поверхні рівнинний, злегка погорблений. Велику частину території займають західні схили Приволзької височини. Височина Сурська Шишка, всупереч поширеній думці, не є найвищою в Пензенській області.
Понад 65% території області займають чорноземи: на півночі та північному заході розвинені переважно вилужені опідзолені чорноземи; на північному сході світло-сірі та сірі лісові ґрунти; на півдні та південному заході слабовилужені та типові чорноземи. У долинах рік лугово-чорноземні та алювіальні ґрунти.
Пензенська область лежить в помірному географічному поясі, на стику лісової, лісостепової та степової природних зон.
Клімат в області помірно-континентальний. Континентальність поступово наростає із заходу Схід. Найнестійкішим елементом клімату є опади. Річна кількість опадів у області коливається в межах 450-500 мм, у посушливі роки знижується до 350 мм, а у вологі роки підвищується до 775 мм.