Dağları: Doğu Toros Dağlarının uzantıları olan Munzur Dağları ili kuzeybatıdan, Mercan Dağları kuzeyden, Bağırpaşa Dağı da kuzeydoğudan bir duvar gibi çevirir. Munzur Dağları 100 km uzunluğunda olup, çok az geçit verir. Munzur Dağlarının en yüksek noktaları Eğripınar Dağı (3111 m), Fekrik Dağı (3362 m), Koçgölbaşı Dağı (3339 m), Katırdağı (3129 m), Ziyarettepe (3071 m), Bağırpaşa Dağı (3293 m)dır.
Bu dağlar arasında Birman Gediği, Kadir Gediği, Sefilbaba Boğazı, Karagöl Gediği ve Bakire Gediği vardır.
Pülümür’ün doğusundaki Bakır Dağından (3106 m), Erzurum Ovası ve Palandöken Dağı seyredilir. Bu dağ Tunceli’nin en sarp ve çetin yeridir. Uçurumlar 1000 m’yi bulur.
Platoları: Munzur ve Bağırpaşa dağlarının sırtlarındaki düzlükler ilin başlıca platolarını meydana getirirler. Merkez ve Kalan yaylaları. Ovacık, Pülümür ve Pertek yaylaları, ilin başlıca platolarıdır.
Ovaları: Dağlar arasında Munzur, Pülümür, Peri, Ovacık ovaları ile Ormanyolu Çayı Vadisi bulunur. Ovacık Ovası, Munzur Dağlarının güneyinde meydana gelmiş bir çöküntü ovasıdır. Yüzölçümü 85 km2dir.
Akarsuları: İlin en önemli akarsuyu Murad Irmağı ile bu ırmağa katılan sulardır. Murad Irmağı: Ağrı ilinin Aladağlar’ından doğar, Tunceli’nin güneyinden geçerek Tunceli ile Elazığ sınırını çizer. Munzur Suyu: Murad Irmağının koludur. Munzur Dağlarından iki kol halinde çıkar. İl merkezinden geçer, güneyde Murad Irmağına karışır. Peri Suyu: Şeytan Dağlarının batı eteklerinden çıkarak Akpazar yakınlarında Keban Baraj Gölüne dökülür. Pülümür Çayı: Avcı Dağlarının eteklerinden çıkar, Pülümür ilçe merkezinden geçerek Munzur Suyuna karışır. Kalan, Laç Deresi, Hozat Deresi, Avuşkent Deresi, Geyiksuyu Deresi, Ormanyolu Çayı hepsi de Keban Barajına dökülür.
Gölleri: Tunceli ilinde tabii göl yoktur. Türkiye’nin halen en büyük baraj gölü olan Keban Baraj Gölü (675 km2) Tunceli ile Elazığ arasında sınır teşkil eder. Bu baraj gölü Tunceli’nin Elazığ istikametinde ulaşımını kolaylaştırdığı gibi sert iklimi nispeten yumuşatmıştır. 3000 metre yükseklikte buzul, vadilerin su ile dolmasından meydana gelen Kara Göl, Çerimli Gölü, Kuzu Gölü, Katırın ve Bağır gölleri vardır.
İklim veBitki Örtüsü
Doğu Anadolu’nun YukarıFırat bölümünde yer alan Tunceli ilinde sert kara iklimi hüküm sürer. Yazlar serin ve kısa, kışlar uzun ve çok soğuk geçer. Aylarca soğuk sıfır derecenin altındadır. Keban Baraj Gölü civarında iklim nispeten yumuşaktır. İl toprakları aylarca karlarla örtülüdür. 2700 m’den yüksek yerler devamlı karlıdır. Senelik yağış miktarı 800 ile 1100 mm arasındadır.Dağların çoğu çıplaktır. Orman ve fundalıklar il topraklarının % 30’unu; çayır ve mer’alar % 40’ını teşkil eder. Ekili ve dikili saha ise % 15’tir. Dağlarda daha çok meşe ormanları vardır. Vadi yamaçlarında, çınar, dışbudak, ardıç, gürgen ve kavak ağaçları bulunur. Mer’alarda ot boldur. Çalı tipi makiler yaygındır.