Il Mugello si estende lungo l'alto corso del fiume Sieve, che scorre inizialmente da nord-ovest verso sud-est, per poi cambiare direzione in senso nord-est sud-ovest. Questa vallata, ricca di storia e cultura, è delimitata a nord dallo spartiacque appenninico, segnato da importanti passi montani come il Passo della Futa, il Passo del Giogo di Scarperia, il Passo della Colla di Casaglia e il Passo del Muraglione. A sud, invece, il Mugello è separato dalla valle dell'Arno e da Firenze dai crinali di Monte Giovi, Vetta le Croci, Monte Senario e le Croci di Calenzano, conosciuti nel loro complesso come Monti Mugellani.
Oggi il Mugello viene identificato con la porzione del bacino idrografico del fiume Sieve a monte della confluenza con il fosso di San Godenzo, detto anche torrente Comano, nei pressi di Dicomano. Questa zona corrisponde all'antico lago di origine marina, il cui sbarramento è ancora intuibile dalla conformazione del paesaggio: le colline su entrambi i lati del fiume sembrano chiudersi l'una con l'altra, circa tre chilometri prima di Dicomano, nei pressi del ponte ferroviario che attraversa il Sieve. Da questo punto fino alla confluenza con l'Arno a Pontassieve, il fiume scorre nella cosiddetta Val di Sieve.
Il territorio del Mugello si suddivide in due aree geografiche principali: il Mugello propriamente detto e l'Alto Mugello o Romagna Toscana. La valle del Mugello include l'ampia conca delimitata a nord dall'Appennino, dove sorgono i borghi storici di San Piero a Sieve, Barberino di Mugello, Scarperia, Borgo San Lorenzo, Vicchio e Dicomano. Proseguendo verso est, si trova il comune di San Godenzo, al confine con il Parco Nazionale delle Foreste Casentinesi. L'Alto Mugello, situato oltre il crinale appenninico, comprende i comuni di Firenzuola, Palazzuolo sul Senio e Marradi. Queste aree, sebbene amministrativamente appartenenti alla Toscana, hanno forti legami storici e culturali con la Romagna. Il paesaggio è estremamente variegato: dai dolci rilievi collinari, modellati dall'agricoltura, ai massicci crinali appenninici caratterizzati da strapiombi e formazioni geologiche di grande interesse. Qui si alternano boschi rigogliosi di faggi, castagni e querce, vaste aree di pascoli e zone di macchia mediterranea. Nei fondovalle più miti, invece, si sviluppano le classiche coltivazioni toscane, con ulivi, viti e cipressi, spesso all'interno di aziende agricole che adottano pratiche biologiche. Dal punto di vista morfologico, il Mugello rappresenta una conca intermontana, derivata dall'antico lago pliocenico di circa 300 kmq che occupava la regione alla fine del Terziario. Questo avvallamento, oggi drenato dal fiume Sieve, è delimitato dall’Appennino a nord e dalla catena montuosa che separa il Mugello dalla conca di Firenze, culminante nel Monte Giovi (992 m). A est si erge il massiccio del Falterona-Monte Falco (1658 m), al confine tra Toscana e Romagna. Alla stretta di Vicchio, il fiume Sieve, sbarrato dal massiccio del Falterona, piega progressivamente verso sud, percorrendo la Val di Sieve fino alla sua confluenza con l’Arno.
Il paesaggio del Mugello è caratterizzato da una notevole diversità: le aree montane presentano rilievi imponenti e boschi fitti di faggi e castagni, mentre le zone collinari ospitano castagneti, oliveti e agricoltura mista. Il fondovalle, più fertile, accoglie i principali centri abitati e le infrastrutture di comunicazione. L’area è inoltre soggetta a una forte sismicità, avendo subito terremoti significativi nel 1542, 1672 e 1919. Caratterizzato da un'ampia cintura di monti e colline che digradano fino all'area pianeggiante adiacente al corso della Sieve. È quest'ultima un'area molto antropizzata, ma sono numerosi e sparsi su tutto il territorio i centri abitati minori e i cascinali isolati. Per la fauna, frequenti sono gli avvistamenti di daini, caprioli, cervi, cinghiali e mufloni, ma anche di lupi così come dell'aquila che è tornata a volteggiare sopra la Valle dell'Inferno e la Valle del Rovigo nell'area demaniale protetta Giogo-Casaglia. Nel 1559 Cosimo I de' Medici fa pubblicare il bando a tutela dei boschi: la prima legge a favore dell'ambiente. Questa si interessa prevalentemente dei boschi situati sulle cime delle montagne, per la loro capacità di trattenere l'impeto dei venti ed evitare che le piogge, trovando la montagna priva delle piante, devastino la pianura. La legge del 17 novembre, fra le altre cose, proibisce il taglio e l'arroncatura lungo il crinale, per un miglio di qua e di là dalla cima. Tra la fine dell'800 e i primi del ‘900 nella zona detta l'Alpe di Grezzano il medico svizzero Edmond Dapples avviò un grandioso programma di rimboschimento e bonifica. Nel 1930 si scrive che Dapples aveva già messo a dimora 1.600.000 piantine. Dagli anni novanta del XX secolo è diventato un tratto caratteristico del paesaggio mugellano il Lago di Bilancino, un invaso artificiale creato con lo scopo primario di regolare le portate della Sieve e garantire l'approvvigionamento idrico all'area fiorentina, ma sfruttato anche per fini turistici. Il Mugello comprende quattro complessi forestali facenti parte del Patrimonio Agricolo-Forestale della Regione Toscana: il Giogo-Casaglia, la Calvana, l'Alto Senio e l'Alpe.