Сложена преимущественно аллювиальными и озерными отложениями, близ побережья Желтого моря — морскими отложениями. Вдоль водораздела рек Сунгари и Ляохэ — холмы, сложенные гранитами, гнейсами, базальтами, перекрытыми лессовым чехлом. На западе и юго-западе встречаются эоловые формы рельефа (дюны и т. п.).
Климат умеренный, муссонный, с холодной зимой и дождливым летом. Средняя температура января на севере от –20 до –22 °C, на юге до –8 °C, июля +20-+25 °С. Осадков 400-700 мм в год.
Степи на черноземах и каштановых почвах, на западе — местами солончаки и развеваемые пески, на севере — участки многолетней мерзлоты. На северной и восточной окраине Сунляо — лесостепь с лесами из осины, вяза, дуба, березы. На юге и востоке густо равнина населена, распахана (гаолян, чумиза, кукуруза, бобы, на юге — рис). На западе преобладают пастбища.