Es la cuarta provincia de mayor extensión territorial del país. Al sudeste de su territorio se extienden la Sierra del Cristal y las Cuchillas de Moa, pertenecientes al grupo montañoso Sagua-Baracoa. Al norte se hallan las Alturas de Maniabón. La mayor altitud de la zona corresponde al Pico Cristal, con mil 231 metros sobre el nivel del mar.
Holguín sólo tiene costa norte, la cual es alta y exhibe la Bahía de Nipe, y las de Levisa y Gibara, entre otras. La temperatura media anual fluctúa entre 24 y 27 grados Celsius. La lluvia promedio al año oscila entre mil 300 y dos mil milímetros, en la parte montañosa. Los ríos mas importantes son el Mayarí, Sagua de Tánamo, Moa, Tacajó y Gibara.
La caña de azúcar, cítricos, café, frutales, viandas y hortalizas, constituyen los principales renglones de la economía holguinera. La rama industrial cuenta con 10 centrales azucareros, algunos de los cuales son considerados entre los de mayor molida del país.
De gran importancia para la economía nacional resulta la producción de níquel en las plantas de Moa y Nicaro, con reservas del mineral consideradas entre las mayores del mundo. El territorio también posee minas de cobre, hierro y cromo. Asimismo, Holguín cuenta con numerosas industrias sideromecánicas, alimentarias, de muebles sanitarios, junto a muchas otras instalaciones.
Resaltan igualmente el desarrollo del ganado vacuno lechero, el avícola y el porcino, la actividad portuaria, la pesca y la construcción de barcos pesqueros, entre otros renglones.
Holguín está subdividida en 14 municipios, por lo que es la cuarta provincia cubana con mayor número de instancias a ese nivel. Ellos son: Antilla, Báguanos, Banes, Cacocum, Calixto García, Cueto, Frank País, Gibara, Mayarí, Moa, Rafael Freyre, Sagua de Tánamo, Urbano Noris y Holguín, cabecera provincial.