Posee un relieve variado, con alturas superiores a los 2.000 metros, situadas en el sector occidental y depresiones absolutas de 40 metros bajo el nivel del mar, como la situada en la Península de Valdés, y presenta, además, sierras, bajos, mesetas y valles.
La Cordillera de los Andes, se extiende por todo el oeste del Chubut, a lo largo de la frontera con Chile. El encadenamiento no es uniforme, sino como bloques dislocados y separados por valles transversales, orientados en dirección este-oeste, ocupados por lagos glaciarios y ríos. Son montañas con cumbres agudas y abundancia de nieve, cuya altura ronda los 2.000 metros. La máxima altura provincial es el cerro Dos Picos, de 2.515 metros, al oeste del lago Cholila. A pesar de que la cordillera chubutense no registra grandes alturas, es suficiente para que actúe como divisoria climática, ya que detiene los vientos húmedos del oeste, los que descargan su humedad en este sector, avanzando hacia el resto de la provincia completamente secos.
Los Patagónides son el sistema montañoso que se encuentra en contacto con los cordones más orientales de la Cordillera de los Andes, ambos sistemas tienen una morfología similar de elevaciones bajas y cumbres redondeadas. Sin embargo, Los Patagónides poseen cumbres más bajas, y la erosión hídrica y eólica han dejado aquí profundas huellas. Se desarrollan en sentido norte-sur, separados del sistema cordillerano por los valles de los ríos Chico-Chubut, Languiñeo, Genoa y Senguer y se confunden incluso con las mesetas por la aridez reinante.
Las mesetas patagónicas presentan gran variedad de geoformas, entre mesetas, terrazas, cañadones, valles, depresiones, bajos, sierras, salinas y lagunas. Descienden escalonadamente desde el oeste hacia la costa atlántica. Son denominadas "pampas" cuando sus cumbres son planas, como las de Salamanca y del Castillo. Suelen estar cubiertas por mantos de basalto o por rodados patagónicos.
Los cañadones son valles generalmente secos que corresponden a ríos que existieron en épocas húmedas. Descienden hacia los valles o hacia los bajos. Las áreas deprimidas son numerosas y están ocupadas en su mayoría por salinas o lagunas temporarias. La más extensa de ellas, la de Sarmiento, presenta los mayores lagos de la Patagonia extraandina: el Musters y el Colhué Huapi, ambos alimentados por el río Senguer.
Todas las geoformas poseen un declive orientado hacia el este, donde culmina en una costa abrupta sobre el Océano Atlántico, debido a las mesetas que forman acantilados que pueden llegar a medir 150 metros de altura, alternando con algunos sectores con playas. La costa presenta el accidente más recortado de todo el litoral marítimo, la Península de Valdés. Ésta es el mejor puerto natural al abrigo del Golfo Nuevo.