Dağları: Adıyaman, Malatya dağları (Güneydoğu Torosları)nın güney yamaçlarında yer alır. Birbirine dayanıp sıkışmış sıralar halinde geniş bir yer kaplayan bu dağlar güneye indikçe alçalır ve Güneydoğu Anadolu düzlüklerine karışır.

Güneydoğu Torosların çıplak sırtlarının uzandığı kuzey kısmında yüksek tepeler bulunur. Akdağ (2551 m), Dibek Dağı (2549 m), Ulubaba Dağı (2533 m), Gördük Dağı (2206 m) ve Nemrut Dağı (2100 m) güney tarafı verimli ovalar ve yaylalar ile kaplıdır. En alçak yeri Fırat Nehri ile Göksun Çayının birleştiği yerdir. Burası 650 m yüksekliktedir. Toros Dağları, ili ikiye böler. Besni-Adıyaman-Kahta bölgesinin kuzeyi dağlık, engebeli ve çıplaktır. Güneyi ise ovalık ve yeşilliktir. Ortalama yükseklik 1000 m civarındadır. İlin yüzölçümünün % 52’si dağlıktır. Ayrıca Karadağ, Bozdağ ve Tucat Dağı da başlıca yüksek dağlarıdır. Köylerin çoğu dağlık bölgelerde kurulmuştur. Samsat, Besni, Gölbaşı ve Kahta ilçeleri de dağlık bölgelerde bulunan yerleşim merkezleridir.

Akarsuları: Akarsular, kuzeyden güneye doğru birbirine paralel akarlar. En önemlileri Fırat’tır. Güneydoğu Torosları dar boğazlarla yaran Fırat, kuzey - güney sonra da Kuzeydoğu-güneybatı yönünde akar. Kuzeyden Kahta (Cendere) (114 km) ile Göksun (118 km) Fırat’a karışır. Besni ve Çakal deresi ile Keysun, Eğin ve Kalburcu çayları ilin önemli akarsularındandır. Akarsuları derindir.

Gölleri: Çok sayıda irili ufaklı göle sahib olan ilin, Gölbaşı, Abdülharab ve Azaplı gölleri en önemlileridir.