Por su extensión ocupa el sexto lugar entre las provincias con mayor área del país. Sólo tiene costa norte, la cual es pantanosa en gran parte. Hacia el noroeste se extienden las sierras Morena y de Jumagua, separadas del litoral por una estrecha llanura costera. Al norte, una planicie es cruzada por el arroyo Zanja de Trelles y el río Sagua la Grande, hacia el oeste, y al este, el río Sagua la Chica y el Manacas, entre otros.
Hacia el centro del territorio se encuentran las Alturas de Santa Clara, con la mayor altitud en la Sierra Alta de Agabama; en el extremo sur se levanta la Sierra de Trinidad, perteneciente a las montañas Guamuhaya, y entre ambos grupos montañosos, la llanura que va desde Santa Clara hasta el límite con la provincia de Sancti Spíritus.
Las corrientes fluviales más importantes son el Sagua la Grande y el Sagua la Chica, con 163 y 81 kilómetros, respectivamente. La temperatura media anual fluctúa entre 24 y 26 grados Celsius. La distribución de las lluvias anuales varía entre mil 200 y mil 700 milímetros. La cantidad de días lluviosos oscila entre 100 y 110. El mes de más precipitaciones es junio.
Su actividad económica fundamental es la agricultura con los cultivos de la caña de azúcar y el tabaco, deviniendo una de las zonas cañeras y tabacaleras más importantes del país. Igualmente hay grandes áreas sembradas de cítricos y frutales, viandas y hortalizas.
En la rama industrial, sobresalen 27 centrales azucareros, que la sitúan como la primera provincia cubana con mayor número de estas industrias; un combinado sidero-mecánico, una fabrica de utensilios domésticos (refrigeradores, cocinas, ollas y otros), así como fábricas de cerveza, ron, cigarros y tabacos, vidrios planos, calzado, productos alimenticios, minas de dolomita (sustancia mineral utilizada para fertilizantes y fundiciones), una salina y varias industrias de materiales de construcción.
La actividad portuaria en Caibarién e Isabela de Sagua, el desarrollo de la masa ganadera vacuna, la porcina y avícola, la pesca, entre muchas otras ramas, conforman el panorama económico villaclareño.
El territorio de esta provincia se subdivide en 13 municipios: Caibarién, Camajuaní, Cifuentes, Corralillo, Encrucijada, Manicaragua, Placetas, Quemado de Güines, Ranchuelo, Remedios, Sagua la Grande, Santo Domingo, y Santa Clara, cabecera provincial.