A l'ouest du département, les monts du Forez marquent la limite et le contact entre les régions Rhône-Alpes et Auvergne. La chaîne culmine à 1 634 mètres d'altitude au sommet de Pierre-sur-Haute, qui constitue également le point le plus haut du département.

Le socle des monts du Forez est constitué de roches magmatiques (granites) et métamorphiques (gneiss). L'édification de la chaîne s'est réalisée à l'Ère primaire. Au Tertiaire, le cycle alpin a créé le relief actuel avec des monts et des vallées. Cet épisode se termine par une phase volcanique Miocène. Puis les glaciations du Quaternaire ont érodé le paysage pour donner la forme actuel.

Vers 1 400 mètres d'altitude, les vastes forêts de hêtres et de sapins, laissent place à des landes et tourbières à la diversité floristique remarquable : les Hautes Chaumes, site classé Natura 2000 qui abrite également la Réserve naturelle régionale des Jasseries de Colleigne. Le climat des hautes Chaumes se caractérise par la présence de la burle, vent du nord formant d'importants amas neigeux et expliquant l'absence d'arbres sur les plateaux sommitaux, ainsi que de brouillards fréquents (132 jours par an) occasionnant du givre.

En descendant vers la plaine du Forez, le climat est plus chaud et la pluviométrie devient relativement faible (effet de foehn). Cela permet la culture de vignobles (Côtes-du-Forez).

L'hiver, on pratique le ski alpin, à Chalmazel, sur 12 kilomètres de pistes de descente évoluant entre entre 1 100 mètres à 1 600 mètres d’altitude, desservies par un télésiège débrayable à bulles et 7 téléskis et équipées de 90 enneigeurs. On pratique également le ski de fond au col de la Loge, sur les 45 kilomètres de pistes du domaine nordique du haut Forez.

Les Monts de la Madeleine sont situés dans le prolongement nord des monts du Forez. Ils dominent la plaine de Roanne et marquent la limite entre les départements du l’Allier et de la Loire. Le point culminant ligérien des monts de la Madeleine est le Rocher de Rochefort avec 1 075 mètres d'altitude, situé à 2 kilomètres du sommet du massif, Pierres du Jour (1 164 mètres), qui se trouve dans le département de l'Allier.

Les monts du Lyonnais et de Tarare correspondent à la limite est du département et à la retombée orientale du Massif central sur les couloirs de la Saône (rivière) et du Rhône. Ils constituent deux entités géographiques distinctes de part et d'autre de la vallée de la Brévenne. Pour autant, l'ensemble topographique jumelant les deux massifs est repris sous l'appellation locale de montagnes du Matin.

Les monts du Lyonnais culminent au crêt Malherbe, situé sur de la commune de Marcenod. Haut de 946 mètres, il offre un panorama sur la chaîne des Alpes et le massif du Pilat. Pour autant, le point culminant ligérien des montagnes de l'est de la plaine du Forez est le mont Boussuivre à 1 004 mètres sur la commune de Violay, au sommet duquel est installé la tour panoramique Matagrin.

Le Pilat marque la limite sud-est du département. Il est frontalier avec le Rhône, l'Isère, l'Ardèche et la Haute-Loire.

Entre la dépression du Gier et la vallée du Rhône, les massifs boisés du Pilat dominent des collines couvertes d'arbres fruitiers (notamment des pommiers) et de vignobles. Au dessus de 900 mètresles versants nord sont marqué par la présence d'éboulis rocheux localement appelés chirats, formés lors de la dernière glaciation. Ils peuvent recouvrir plus d'un kilomètre de versant.

C'est dans cette région qu'est produit la rigotte de Condrieu ou la bûche du Pilat, le premier ayant obtenue un AOC depuis 2009, deux fromages caractéristiques du Pilat à base de chèvre ou de vache.
 

La majeure partie du territoire est classé Parc naturel régional. En été, on y pratique le tourisme vert (vélo, VTT, randonnée) et en hiver, le ski de fond sur l'espace nordique des monts du Pilat qui regroupe les communes du Bessat, de Burdignes, de Saint-Régis-du-Coin et de Graix et dispose de 80 kilomètres de pistes évoluant entre 950 et 1 300 mètres d’altitude.

La plaine du Forez est un effondrement de l'époque tertiaire encadré par les montagnes du matin (monts du Lyonnais et monts de Tarrare) et les Montagnes du soir (monts du Forez et monts de la Madeleine). L'ensemble est recouvert d'une forte épaisseur d'alluvions et traversé du sud au nord par la Loire) dont les limites sont très lisibles. Le sud se rattache par ses activités industrielles et la rurbanisation à l'agglomération stéphanoise, le nord à gardé un caractère plus rural, polarisé par les villes de Feurs et de Montbrison.

Le bassin roannais est située au nord du seuil de Neulise et des gorges de la Loire, encadrée par les collines du Brionnais du Charolais (pays) et du Beaujolais, à l'est et des Monts de la Madeleine à l'ouest. Par son ouverture vers le Bourbonnais, c' est un territoire de transit entre le nord et le sud de la France parcouru par la Route nationale 7, la Loire et le Canal de Roanne à Digoin.

Les vallées du département de la Loire sont des espaces d'industrialisation ancienne, très fortement urbanisés, l'altitude moyenne de l'agglomération de Saint-Étienne est d'environ 500 mètres ; c' est une des plus élevées d'Europe. Les paysages présentent des contrastes entre les fonds des anciennes vallées industrielles au bâti dense et complexe et les versants encore voués aux cultures mais gagnés par le mitage pavilloNnaire. l'urbanisation linéaire suit le tracé de cours d'eau descendus du Pilat : l'Ondaine et le Furan, affluents de la Loire et le Gier affluent du Rhône.

La vallée de l'Ondaine est située au sud-ouest du département, aux confins de la Loire et de la Haute-Loire.

La vallée du Gier traverse le département de Saint-Chamond à Rive-de-Gier puis se prolonge dans le département du Rhône jusqu'au confluent de Givors.