A vegetação predominante no estado é o Cerrado (cobre 90% do território), cujas principais características são os grandes arbustos e as árvores esparsas, de galhos retorcidos e raízes profundas. O restante do território é constituído pela floresta de transição amazônica, ao norte do estado. Nas margens dos Rios Araguaia e Tocantins são encontradas pequenos trechos de Mata Atlântica. Mais da metade do território é considerado área de preservação, com destaque para a Ilha do Bananal (maior ilha fluvial do mundo) e para o Parque estadual do Cantão, no qual os ecossistemas do Cerrado, o Pantaneiro e o Amazônico se encontram.
O clima no estado é tropical. A temperatura média é de 32°C no período de seca (de abril a setembro) e de 26°C no período de chuvas (de outubro a março). Na região norte do estado as temperaturas médias são cerca de 3°C mais altas do que na região sul.
O Tocantins é um dos estados de maior potencial hídrico do país. Seus principais rios são o Araguaia e o Tocantins. A Ilha do Bananal fica no Rio Araguaia. Outros importantes rios da região são: rio do Sono, rio Balsas Mineiro e rio Paranã.