Heildarflatarmál fylkisins er 150.007 ferkílómetrar (25. í stærðarröð BNA).  Sambandsstjórnin á 1,4% landsins.  Fylkið er nokkurn veginn ferhyrnt í laginu, 610 km frá norðri til suðurs og 340 km frá austri til vesturs.  Hæð yfir sjó er frá 85 m við ármót Ohio- og Mississippi-fljóta til 376 m á Charles-hæð í norðvesturhlutanum.  Meðalhæð yfir sjó er því nálægt 183 m.  Hluti Michigan-vatns (3.950 ferkílómetrar) er í Illinois.
Illinois er skipt í fimm landfræðilegar einingar:

Hæðótt Driftless-svæðið í norðvesturhorninu.  Sléttujarðvegurinn er lítið eitt ísúr og nokkuð frjósamur.  Austurláglendið við Vötnin miklu er í norðausturhluta landsins.  Þar eru víða tjarnir og mýrlendi og jarðvegurinn frjósamur.  Stærsta svæðið, aurslétturnar, nær yfir mestan hluta landsins.  Það myndaðist aðallega, þegar það var hulið Illinois-jökli fyrir u.þ.b. 150.000 árum.  Jarðvegurinn er líkur sléttujarðveginum en er leirblandaðri.  Þarna er mjög gott ræktarland.  Sunnan aursléttunnar er lægri innlandshásléttan, sem var jökullaus, með hlíðabröttum dölum og leirjarðvegi.  Fimmta svæðið allrasyðst, er nyrzti hluti Mexíkóflóasléttunnar, sem er stundum kölluð Litla-Egyptaland vegna þess, að hún líkist óshólmum Nílar.  Þetta eru að mestu flæðiengjar, sem afmarkast af hærra liggjandi og skýrum brúnum.  Þarna er mýrlent og jarðvegurinn rauð- og gulleitur og blandaður sandi og leir.

Vatnasvið þveráa Mississippi-fljótsins, sem mynda vesturlandamæri landsins, teygjast yfir rúmlega tvo þriðjunga landsins.  Helztu þverárnar eru Illinois, Rock, Kaskaskia, Big Muddy og Wabash.  Hin síðastnefnda myndar hluta austurlandamæranna áður en hún nær ármótunum við Ohio-ána, sem myndar suðurlandamærin að Mississippi-fljóti.  Illinois-skurðurinn tengir Michigan-vatn og Mississippi-fljótið.  Hann liggur um Chicago-, Des Plaines- og Illinois-árnar með tengiskurðum, s.s. Sanitary og Ship Canal.

Að Michigan-vatni frátöldu er ekki mörg stór stöðuvötn að finna.  Nokkur stór, manngerð lón eins og Carlyle-, Crab Orchard-, og Shelbyville-lón.  Við náttúrulegu vötnin Chain o’Lakes í norðausturhluta landsins eru vinsælir sumardvalarstaðir.

Loftslag.  Árstíðabundin veðrabrigði eru talsverð og umhleypingar vegna skorts á fjöllum til að hafa hemil á alls konar loftmössum.  Víðast er rakt meginlandsloftslag með löngum sumrum og köldum vetrum.  Frostlausi ræktunartíminn er 120-180 dagar á ári.  Allrasyðst ríkir rakt og jaðartrópískt loftslag með 180-240 frostlausum dögum.  Meðalárshiti í Chicago í norðausturhlutanum er 9,4°C, í Springfield í miðhlutanum 11,5°C og í Cairo í suðurhlutanum 15°C.  Lægsta skráða hitastig er -37,2°C (1930 á Carroll-fjalli) og hið hæsta 47,2°C (1954 í Austur-St Louis).  Illinois er í miðju skýstrokkabeltinu.  Stormasamasti tíminn er frá marz til júní.  Skæður skýstrokkur drap 606 manns 19. marz 1925.

Flóra og fána.  Skóglendi þakti 45% landsins, þegar fyrstu landkönnuðir litu það augum á áttunda áratugi 17. aldar.  Skömmu fyrir aldamótin 2000 voru aðeins 10% eftir, einkum í norðaustur- og suðurhlutum landsins (eik, hikkorí, hlynur og mórberjatré).  Fjöldi villtra blómplantna prýðir landslagið (vorlilja, bláklukka, sverðlilja, morgunfrú o.fl.).

Meðal algengra villtra dýrategunda eru kanínur, íkornar, þefdýr, moskrottur, minkur, refur, þvottabjörn og dádýr.  Stórir hópar kanadagæsa hafa vetursetu við stöðuvötn í norðurhluta landsins og skallaernir eru meðfram Mississippi-fljóti og Illinois-ánni á veturna.  Einnig er að finna margar tegundir anda og gæsa, akurhænur, orra og fasana.  Í ferskvatni eru urriði, karfi, gedda og bassi.

Auðlindir, framleiðsla, iðnaður.  Helztu auðlindir í jörðu eru bik, olía, grjót, sandur og möl, mór, leir, blý, sink, gas, kopar, eðalsteinar og kísilgúr (tripoli).

Góður jarðvegur og loftslag er hentugt til búskapar og ræktunar í landinu, sem er í fimmta sæti landbúnaðarfylkja BNA.  Mikið er ræktað af sojabaunum og maís.  Aðrar mikilvægar uppskerur eru hveiti, fóður, hafrar, sorghumgrjón, bygg, rúgur, epli og tómatar.  Blómarækt er talsverð, aðallega rósir og gladíólur.