Eskişehir, İç Anadolu Bölgesi'nin kuzeybatısında yer almaktadır. Kuzeyde Karadeniz, kuzeybatıda Marmara, batı ve güneybatıda Ege Bölgesi ile komşudur. Eskişehir'in ilçelerinden Seyitgazi'nin küçük bir bölümü Ege'nin, Sarıcakaya İlçesi'nin tümü ile Merkez ve Mihallıçık ilçelerinin bir bölümü Karadeniz Bölgesi'nin etkisindedir. Ancak Eskişehir, coğrafi karakterini genellikle İç Anadolu Bölgesi'nden alır.

Kuzeyden Bozdağ ve Sündiken Dağları, güneyden Emirdağ, doğudan Orta Asya Vadisi, batıdan Türkmen Dağı gibi doğal sınırlarla çevrili olan il alanı, yaklaşık 13.653 km2 dir. Bu alanıyla il, Türkiye topraklarının %1.8' ini kaplamaktadır. İl merkezinin denizden yüksekliği ise 792 m dir.

Eskişehir ili, güneyden Afyonkarahisar'ın Emirdağ ve İnsaniye; güneydoğudan Konya'nın Yunak; doğudan Ankara'nın Polatlı, Nallıhan ve Beypazarı; kuzeybatıdan Bolu'nun Göyük; batıdan Bilecik'in Gölpazarı, Söğüt, Bozüyük ilçeleri ve Kütahya ile çevrelenmiş durumdadır.

Yaklaşık %22'sini dağların oluşturduğu ilin, yeryüzü şekilleri içinde ovaların payı %26 dolayındadır.

İç Anadolu'nun kuzeybatı köşesinde yer alan Eskişehir ilinin topografik yapısını, Sakarya ve Porsuk havzalarındaki düzlükler ile bunları çevreleyen dağlar oluşturur. Havza düzlüklerini, kuzeyden Bozdağ-Sündiken Sıradağları, batı ve güneyden ise İç Batı Anadolu eşiğinin doğu kenarında yer alan Türkmen Dağı, Yazılıkaya Yaylası ve Emirdağ kuşatır.

Dış etmenlerin uzun süren aşındırmaları sonucu vadiler, genellikle derinleşmiştir. Vadi yamaçları hafif eğimli olup, yamaç aşındırması güçlüdür. Genç oluşumlar dışında tepe sırtlarının basık ve yuvarlak olduğu ilde, kapalı havza durumu pek görülmez. Denize doğru sürekli bir eğim vardır.

Dağlar, ilin ovalarını çeşitli yönlerden kuşatır. Dağlık alanlarında, farklı aşınma ve çözünme sonucu ortaya çıkan şekiller, genellikle belirgindir. Ovalardan dağlara doğru, çeşitli yükseltilerde uzanan platolar vardır. İlin kuzeyinde, batı-doğu yönünde, Anadolu'nun iç sıradağlarından Bozdağ ve Sündiken Dağlan yer alır ve uzantıları doğuda, il sınırını oluşturan Sakarya Irmağı'na dek sokulur.

Eskişehir ilinin güneydoğu köşesinde, Sakarya yayının içinden başlayan Sivrihisar Dağları, güneydoğu-kuzeybatı yönünde uzanır. Kaymaz Bucağı'na uzanan Sivrihisar Dağlan eşik görünüşlü bir yayla üzerinde yer alır.

Kaymaz Bucağı'ndan sonra yayla görünümü kazanan geniş eşik üzerinde, yer yer yüksek tepeler görülür. Eskişehir il merkezinin güneyinde başlayan bu yayla görünümlü dalgalı alan, batı yönünde sürer. Sarısu Ovası'nın güneyinde, Küçük Türkmen Dağı'nı oluşturur ve il sınırları dışında Domaniç Dağları ile birleşir. Kaymaz Bucağı ile Eskişehir il merkezi arasındaki en önemli yükselti, Koca Kır Yaylası'nın Porsuk Ovası'na inen etekleridir. Porsuk Çayı'ndan batıya doğru gidildiğinde 1.255 m. yüksekliğindeki Küçük Türkmen Dağı'na ulaşılır. Daha batıda ise Kozdoğru Tepesi ile Göktepe bulunur.

Asıl Türkmen Dağı, Porsuk Barajı'nın güneyinden başlar ve uzantıları ile birlikte Sakarya Ovası'na dek uzanır. En yüksek noktası 1.825 m. ile Türkmen Dağı Tepesi'dir. Diğer önemli yükseltiler, Kırgıl Tepe, Kuyu Tepe, Yaylacık Tepe, Deve Eriği Tepesi, Deve Tepe ile Oluk Dağı'dır.