Ο νομός Καρδίτσας βρίσκεται στη νοτιοδυτική Θεσσαλία και δεν βρέχεται από θάλασσα. Η ανατολική πλευρά του καταλαμβάνει μέρος της μεγάλης Θεσσαλικής πεδιάδας, ενώ στη δυτική κυριαρχούν τα μεγαλόπρεπα Άγραφα με τις πανύψηλες κορυφές τους να αγγίζουν τον ουρανό. Σε καταπληκτική τοποθεσία και στο μέσον περίπου του νομού, βρίσκεται η πανέμορφη λίμνη Πλαστήρα, με το ομώνυμο φράγμα, έμπνευση του Καρδιτσιώτη πολιτικού και στρατιωτικού Νικολάου Πλαστήρα. Πολλά ρέματα και μικρά ποτάμια διαρρέουν τον κάμπο (Καράμπαλης, Καλέντζης, Φαρσαλιώτης, Σοφαδίτικος), με κυριότερο τον παραπόταμο του Πηνειού Ενιπέα.
Ο νομος Καρδίτσας συνορεύει με τον νομό Τρικάλων στα βόρεια, Λάρισας στα ανατολικά, Φθιώτιδος στα νοτιοανατολικά, Ευρυτανίας στα νότια, Άρτας στα δυτικά και ένα ελάχιστο κομμάτι με το νομό Αιτωλοακαρνανίας στα νοτιοδυτικά.