Lors d'une première grande phase orogénique, de - 380 à - 250 millions d'années, s'est mis en place un matériel d'âge hercynien, formé de couches sédimentaires primaires, de granites et de roches métamorphiques. On trouve les éléments de cette ossature – déjà usée et aplanie au début du Secondaire – le long d'un grand «V» qui joint la pointe de la Bretagne au sud du Massif central et remonte jusqu'à l'Alsace. Mais les chaînes hercyniennes s'avançaient autrefois bien plus au sud: la zone axiale des Pyrénées, les Maures et la Corse en sont des vestiges. Entre les socles anciens rabotés, mais restés plus ou moins émergés, s'étendaient à l'ère secondaire des cuvettes où les mers ont déposé des sédiments variés (sables, argiles, calcaires). Échappant aux plissements ultérieurs, ces couches ont été peu déformées.

L'ère Tertiaire représente, pour la configuration du territoire français, une étape décisive. L'ensemble formé par les socles anciens et les bassins sédimentaires, sur la bordure de la plaque européenne, a été heurté par deux petites plaques méridionales: la plaque ibérique et la plaque insubrienne (Italie du Nord). Tandis que la compression des sédiments marins accumulés à leur intersection donne naissance aux Pyrénées et au système alpin, le vieux bâti hercynien se fissure profondément, ouvrant les grands fossés méridiens d'Alsace, des plaines de la Saône, de la vallée du Rhône et de Limagne. Des massifs de surrection hercynienne comme le Massif central ou les Vosges sont vigoureusement redressés, alors que d'autres, comme le Massif armoricain, restent à une altitude modérée. Toute la Méditerranée occidentale s'effondre en ouvrant le couloir languedocien au sud des Cévennes, et en ne laissant plus subsister que quelques débris d'un ancien continent «tyrrhénien» (Corse).

Le relief qui résulte de cette histoire géologique est assez équilibré. Bien individualisées, les montagnes, qui dominent dans la moitié sud-est de la France, appartiennent à deux grandes familles.

Les Pyrénées, un peu plus âgées que les Alpes, forment une barrière longitudinale élevée et massive, culminant à 3 298 m à la frontière franco-espagnole (Vignemale); on ne peut aisément la franchir qu'à ses deux extrémités. Autre massif en position frontalière, les Alpes, plus diversifiées, plus jeunes et plus hautes (4 808 m au mont Blanc), couvrent une superficie plus étendue (35 000 km², contre 17 000 km² pour les Pyrénées). De Chamonix à Gap, un sillon alpin, grosso modo de direction méridienne, sépare les Préalpes sédimentaires des hauts massifs internes constitués de roches métamorphiques et éruptives. Au sud de Gap, l'espace occupé par les massifs internes se réduit, les Préalpes s'étalent largement, et le sillon alpin disparaît, remplacé par la vallée méridienne de la Durance. Le Jura, qui pointe sa plus haute cime à 1 718 m (crêt de la Neige), se présente comme une excroissance des Préalpes du Nord, auxquelles sa partie méridionale le soude; ses points les plus élevés sont localisés sur la frontière suisse. La Corse (2 706 m au monte Cinto), qui a connu un soulèvement tertiaire très énergique, peut être considérée comme une montagne jeune, malgré l'importance des roches anciennes dans le substratum.

Le Massif central, le plus étendu d'entre eux, couvre 15 % du territoire français. Ensemble de hautes terres assez variées, il culmine à 1 885 m au puy de Sancy. Le socle ancien est plus élevé au sud et à l'est qu'au nord-ouest. Les principaux contrastes tiennent à l'incidence du volcanisme tertiaire: s'il n'a que modérément influencé les plateaux de la partie sud-est, il a édifié à l'ouest les deux grands appareils du Mont-Dore et du Cantal. En outre, cette région englobe dans sa partie méridionale des terrains sédimentaires secondaires: ce sont les Causses, hauts plateaux calcaires connus pour la netteté de leurs formes karstiques.

Dans la France du Nord-Est, le petit massif ancien des Vosges est remarquable par sa double dissymétrie: les altitudes les plus élevées sont méridionales et le versant alsacien est plus vigoureux que son homologue lorrain. Pour sa part, l'Ardenne n'est qu'un plateau faiblement sculpté par l'érosion qui tient surtout du climat son caractère de montagne.

Le Bassin parisien (140 000 km², soit le quart du territoire) est une région de plaines et de plateaux que se partagent les réseaux hydrographiques de la Seine et de la Loire. C'est en Lorraine, en Champagne et en Bourgogne que les dénivellations sont les plus marquées: l'alternance de couches dures et tendres, qui sont relevées vers les massifs de la bordure orientale, donne naissance à plusieurs ceintures de reliefs de côtes (cuestas). Au sud de la Loire, ces mêmes côtes manquent d'énergie, phénomène imputable à la présence de sables d'âge tertiaire venus du Massif central pour s'étaler dans le Bourbonnais, la Sologne et la Brenne. À l'ouest, les horizons sont plus monotones, et les vallées plus faiblement entaillées. Au nord (Picardie, haute Normandie) s'étendent de majestueux plateaux de craie, nappés de limons et tranchés de vallées humides. Les collines d'Artois, qui s'élèvent jusqu'à 200 m, forment une séparation peu élevée avec le bassin sédimentaire flamand, lequel se prolonge en Belgique. Plateaux calcaires, buttes de sable et de grès, vallées encaissées forment le décor de la région parisienne.

Le Bassin aquitain (80 000 km²), principalement drainé par la Garonne, présente un dispositif comparable. Les reliefs de côtes s'y individualisent dans la moitié septentrionale, où affleurent les calcaires crétacés et jurassiques (Charentes, Périgord, Quercy). Il n'en va pas de même au sud de la Garonne, où la molasse tertiaire donne des paysages de collines, de plateaux et de buttes. La vaste plaine des Landes est pour sa part ennoyée sous des sables quaternaires.

À ne considérer que la géologie, on pourrait identifier l'Ouest armoricain (65 000 km²) aux autres socles anciens. Mais le soulèvement y a été plus faible: le Bocage normand dresse sa plus haute colline à 417 m (les Avaloirs) à l'est, et les monts d'Arrée culminent à 384 m (roc'h Trévezel) à l'extrême ouest. Les altitudes moyennes (104 m) y sont modérées. Le paysage est celui de bas plateaux, dominés par quelques collines, creusés de petites cuvettes et burinés par un système de vallées divergentes.

Dans la moitié orientale du pays, les plaines occupent une moindre place. Entre les chaînes alpines et les massifs hercyniens s'est individualisé un couloir continu – axe majeur pour la circulation entre le Rhin et la Méditerranée – constitué d'un chapelet de dépressions: Alsace, plaine de la Saône, bassins du Rhône moyen, plaines du bas Rhône, Languedoc.

Le caractère continental s'accuse davantage dans les fossés d'effondrement de l'est de la France: leur climat d'abri, assez sec, est caractérisé par de fortes amplitudes thermiques (de 18 à 19 °C à Strasbourg et à Lyon).

Le nombre de jours de gel, l'épaisseur et la durée du manteau neigeux sont les caractéristiques les plus visibles de ces climats, qui diffèrent également de ceux des plaines par leur grande variabilité spatiale: les contrastes d'exposition jouent aussi bien à l'échelle régionale que localement. Ils permettent, en particulier, d'opposer les bordures occidentales humides des Alpes, du Massif central et des Pyrénées aux parties orientales, plus ensoleillées, de ces mêmes régions montagneuses.

L'abondance des fleuves français dépend du climat et de la nature des bassins-versants, même si seule une partie des précipitations qu'ils reçoivent profite aux cours d'eau. C'est dans les montagnes et les régions tournées vers l'ouest que la quantité d'eau disponible pour l'écoulement est la plus forte. À l'inverse, le déficit hydrique est un trait des grands bassins sédimentaires, des fossés d'effondrement et des plaines méditerranéennes: ainsi le Rhône (1 500 m³/s à Beaucaire), fleuve alpin, a-t-il un débit deux fois plus important que la Loire en Anjou ou la Garonne à Bordeaux. Celui de la Seine à Paris (300 m³/s) n'en représente que le cinquième.

De la frontière belge au cap Blanc-Nez (grossièrement, de Dunkerque à Calais), la côte de la mer du Nord est basse; seul un cordon de dunes protège les marais de Flandre. En Picardie et en haute Normandie, le littoral de la Manche est bordé de falaises de craie (Étretat): on y perçoit encore la marque d'anciennes vallées qui, comme celle de la Seine, rejoignaient au Quaternaire un grand fleuve empruntant l'axe de la Manche. En basse Normandie, la présence de roches plus tendres a permis la formation de falaises déjà plus molles et de marais. Pittoresque et découpée, la côte du Massif armoricain, du Cotentin à la pointe de la Bretagne, fait alterner caps de roches dures, récifs déchiquetés, vallées noyées par la mer et marais abrités (baie du Mont-Saint-Michel). La rade de Brest est une zone de confluence envahie par la mer.

Au large de la Bretagne méridionale, de la Vendée et du Poitou, la côte atlantique est précédée d'une vaste plate-forme continentale: plusieurs îles (Belle-Île, Noirmoutier, Yeu, Ré, Oléron) précèdent un littoral rocheux, assez bas, mais creusé de profondes indentations. De part et d'autre de l'estuaire de la Loire, en Poitou et jusqu'en Saintonge, soit jusqu'à l'estuaire de la Gironde, plusieurs golfes bien abrités et récemment colmatés forment des paysages de marais (Marais breton, Marais poitevin). La plate-forme continentale se réduit progressivement jusqu'au golfe de Gascogne, où les isobathes se rapprochent du rivage. Le littoral correspondant, de l'estuaire de la Gironde aux premiers contreforts pyrénéens, est bas, parfaitement rectiligne et bordé de hautes dunes isolant un chapelet d'étangs.

Le long de la façade méditerranéenne, d'importants contrastes opposent la côte languedocienne, précédée d'une vaste plate-forme continentale, à la côte provençale, proche des eaux profondes. La première est basse et en voie de régularisation; de grands étangs saumâtres y communiquent plus ou moins bien avec le golfe du Lion. La seconde est montagneuse et accidentée, avec des caps saillants, des calanques et une succession d'îles. Le delta du Rhône, dont les bras enserrent les étendues marécageuses de Camargue, fait la jonction entre ces deux domaines. Les côtes corses, comme celles de Provence, sont rocheuses et découpées, hormis dans l'est de l'île (plaine d'Aléria).

Dans les zones de plaines et les bas plateaux, la végétation naturelle, sans l'action anthropique, est presque partout constituée d'une forêt de feuillus: le chêne, associé au charme, ou le hêtre, associé au chêne, sont les arbres dominants des forêts conservées. L'homme a introduit des conifères au XIX^e siècle, notamment le pin maritime (Pinus pinaster) dans les Landes et, par endroits, des pins noirs d'Autriche et des pins sylvestres; ils ont permis la mise en valeur d'étendues sableuses incultes. Les reboisements ont aussi été abondants sur les plateaux du Massif central, où la forêt avait été précocement détruite par l'homme. Dans les pays placés sous influence atlantique, où le climat favorise la dégradation des sols, la forêt a cédé la place à des végétations de substitution comme la lande bretonne.

La végétation des montagnes est caractérisée par un étagement qui traduit la modification des données climatiques. Au-dessus de la chênaie, présente à l'étage collinéen, une forêt mixte de hêtres et de sapins apparaît dans les Alpes aux étages montagnards, à partir de 600 m. Viennent ensuite les conifères résistants à la neige et au vent (pins de montagne). Vers 1 800 m dans les Préalpes et vers 2 200 m dans les Alpes internes, la forêt atteint une limite au-dessus de laquelle les arbres ne peuvent subsister qu'à l'état de buissons: on pénètre alors dans le domaine des prairies dites «alpines», présentes jusqu'à la limite des neiges éternelles (vers 3 000 m), où toute végétation disparaît. Pour les besoins de l'élevage, les hommes ont donné aux prairies de l'étage alpin une extension artificielle aux dépens des étages forestiers. Les limites de ces paliers varient, bien évidemment, d'un massif à un autre, parfois dans le même massif par le jeu des expositions (ubacs, versants à l'ombre; adrets, versants au soleil).

La végétation française la plus originale est certainement celle du domaine méditerranéen. Les plantes, qui ont dû s'adapter à la sécheresse estivale, présentent des caractères particuliers. Ainsi, l'arbre dominant des forêts méditerranéennes n'est pas le chêne sessile ou le chêne pédonculé des forêts océaniques: c'est un chêne à feuilles persistantes, le chêne vert, suppléé par le chêne-liège sur les terrains siliceux. En altitude apparaît le chêne pubescent. Des conifères jouent également un grand rôle: pin d'Alep et pin laricio en Corse. Mais ces forêts, fragiles, résistent difficilement aux abus du pâturage et aux incendies estivaux. Peu productives, elles ont souvent cédé la place à des formations végétales de substitution, tels la garrigue et le maquis.

De longs siècles de chasse aux bêtes «nuisibles» et aux animaux à fourrure ont considérablement appauvri la faune française. Diverses espèces de grands mammifères ont disparu et d'autres, comme l'ours et l'isard des Pyrénées, le chamois et le mouflon des Alpes, se maintiennent difficilement dans les hautes montagnes qui leur servent de refuge. De la même façon, la richesse des eaux a souffert de l'ère industrielle: les saumons, par exemple, ont disparu de nos rivières. Ces évolutions inquiétantes ont suscité la mise sur pied de politiques de protection et de repeuplement.