Релефът на по-голямата част от територията на района е низинно-равнинен, главно в северната му част, а на юг преминава в платовидно-хълмист и планински. Територията обхваща източните части от Дунавската хълмиста равнина и Предбалкана. Едно от големите богатства на Североизточния район за планиране в неговата крайбрежна част са пясъчните плажни ивици. Тук е най-дългата по цялото Черноморско крайбрежие пясъчна плажна ивица – при устието на реките Камчия и Фъндъклийска в община Долни Чифлик.
Североизточният район се намира в зоната на умереноконтиненталната климатична област с ясно изразено смекчаващо климатично влияние на Черно море в 30-35-километровата крайбрежна зона.