Sudan ligger i Nordafrika og er med sine 2 505 810 km ² arealmessig det største landet i Afrika og det tiende største i verden. Vegetasjonen kan deles inn i øst-vestgående soner avhengig av nedbørmengden. Lengst nord i landet ligger enorme, golde ørkenområder og Saharaørkenen utgjør ca 30 % av det totale areal, mens ørkenen går over i halvørken og sletteland i de sørlige områdene. Mot Rødehavet i øst har berggrunnen blitt hevet og danner Rødehavsfjellene. Kyststripen mot Rødehavet er ca 30-50 km bred. Sør for Khartoum følger en sone med steppevegetasjon og savanne (gressavanne og tresavanne) og ved sørgrensen er det tropisk regnskog og fjellskog. Sentralplatået ligger 300-1000 m.o.h. og er omgitt av randfjell som skjærer gjennom slettene over hele landet, og danner naturlige grenser mot det etiopiske høylandet i sørøst og Uganda og Tsjad i sør og sørvest. Her ligger også Nubafjellene som er ca 1200 m høye. I vest ligger vulkanmassivet Jabal Marrah (3088 m.o.h). I sørøst ligger den uframkommelige Sudd-sumpen, som er verdens største våtmarksområde med papyrus. Imatongfjellene er det høyeste fjellpartiet i Sudan med landets høyeste fjell Kinyeti (3178 m.o.h) og ligger i sør på grensen mot Uganda.

Nilen som renner på langs gjennom hele landet fra sør til nord omgis av en smal stripe med fruktbart jordbruksland gjennom ellers tørre områder. Nilen er derfor helt vesentlig for befolkningens livsgrunnlag. Den "hvite" Nilen kommer fra de store sjøene i sentral-Afrika, mens den "blå" Nilen kommer fra Etiopia og bidrar med nesten 80% av vannet. De to elvene renner sammen i hovedstaden Khartoum, der også ett av verdens største irrigasjonsanlegg ligger (Gezira). Fra Khartoum går Nilen først sørvestover og så nordover og danner Nassersjøen på grensa til Egypt.

Sudan ligger innenfor den tropiske sonen, men landet har likevel store klimavariasjoner fra tørt ørkenklima i nord til tropisk og fuktig i sørøst. Temperaturene er gjennomgående høye, og kan komme opp mot 50 grader på det varmeste. Middeltemperaturen i nord er i januar ca 20 C og i juni-august ca 35C. Lenger sør er den varmeste tiden februar-april med middeltemperatur på ca 28-30C og den kjøligste måneden august med ca 22-25 C.

Den største sesongvariasjonen er nedbøren, som faller ujevnt over hele året, med konsentrerte regntider. Hovedregntiden kommer i perioden april til november, men varierer avhengig av område. I nord finnes noen av verdens tørreste ørkenstrøk med under 25 mm årsnedbør konsentrert til august måned. Her dominerer det subtropiske høytrykksfeltet og mesteparten av året karakteriseres været av skyfri himmel, sol og konstant vind, ofte med sand.

Lenger sør går ørkenen gradvis over i steppe og samtidig øker nedbøren med regntid i juli-august. Nærmest ekvator faller det nokså jevnt 800-1200 med mer nedbør uten egentlig tørketid, men den tørreste tiden er her mellom desmber og februar. Store deler av landet er helt avhengig av nedbør, og rammes av akutt tørke når regnet uteblir. Sudans største miljøproblemer er forørkning, jorderosjon og mangel på rent drikkevann, i tillegg til at ville dyr trues av omfattende jakt. Halvparten av landets elektrisitet produseres av fossilt brensel og halvparten av vannkraft. Den voksende oljeindustrien er dårlig regulert, og fører også til stadig større miljøproblemer.