Le Texas constitue une zone de transition entre les plaines de l'est des États-Unis et les montagnes de l'Ouest américain. Le relief s'organise en paliers d'orientation longitudinale, les plus hautes altitudes se trouvant à l'ouest : c’est là que se trouve le point culminant du Texas, le Guadalupe Peak (2 667 m). Cependant, les plaines, les collines et les plateaux sont les reliefs dominants. L'altitude moyenne de l'état est de 520 m.
Le littoral du Texas, d'une longueur de plus de 480 kilomètres, comprend de nombreux estuaires et des baies (Laguna Madre, baie de Corpus Christi, baie de Matagorda, baie de Galveston). Les côtes basses se trouvent quasiment au même niveau que la mer, ce qui les rend vulnérable au passage des tempêtes et des ouragans en été. Parmi les multiples îles qui jalonnent le littoral texan, la Padre Island au sud est la plus longue et la plus grande.
Derrière la ligne du littoral, s’étend un ensemble de plaines et de collines à l’est du Texas et au nord du golfe du Mexique. Il se prolonge vers l’est jusqu’en Floride. Il se caractérise par de faibles altitudes (moins de 300 mètres) et un relief relativement plat ou légèrement vallonné, favorable aux activités humaines.
Une bande méridienne de relief plus élevé, constituée de régions qui se différencient par leur géologie et leur climat, occupe le centre du Texas. Au sud se trouve le Texas Hill Country, dont les paysages de collines se situent au sud de l'escarpement de Balcones ; il représente une zone de transition entre les Grandes Plaines et les plaines côtières. Le Plateau d'Edwards offre un relief karstique et se rattache aux Grandes Plaines.
À l’extrémité nord du Texas, le Panhandle est formé de hautes plaines et de plateaux disséqués par des gorges comme le canyon de Palo Duro, le deuxième des États-Unis par ses dimensions, après celui du Colorado. La région se prolonge au sud par la Llano Estacado, considérée comme l'une des plus grandes mesas d'Amérique du Nord.
Le Trans-Pecos est le secteur le plus compartimenté et le plus élevé : il comporte sept sommets supérieurs à 2 400 mètres d'altitude. Les nombreuses chaînes montagneuses de l’ouest se rattachent à un ensemble géomorphologique qui court le long de la frontière mexicaine depuis l’Arizona, et non aux Montagnes Rocheuses proprement dites. Elles encadrent des bassins et des plateaux arides ou semi-arides. Les Montagnes Guadalupe sont les plus hautes de toutes ces chaînes successives.
Le plus ancien affleurement du Texas est le soulèvement de Llano (Llano Uplift) situé au centre du Texas Hill Country : ces roches granitiques du précambrien datent d’environ 1,1 milliard d’années et sont les restes d’une ancienne chaîne de montagne érodée. Le site le plus connu des Texans est l’Enchanted Rock. A la fin du Paléozoïque (-290 millions d’années), la collision de l’Amérique du Nord et de l’Amérique du Sud donna naissance à une chaîne de montagne (orogénie de Ouachita pendant le Pennsylvanien) dont les restes sont encore visibles dans les Marathon Mountains, situées entre les chaînes de l’ouest et le Plateau d’Edwards. C’est également pendant cette période que s’est formé l’escarpement de Balcones. Au Permien, il y a environ 280 millions d’années, les Montagnes Ouachitas étaient bordées par des mers intérieures à l’ouest au fond desquelles se sont déposés des microorganismes, des minéraux et des sédiments issus de l’érosion. Ces dépôts ont été par la suite recouverts par des couches sédimentaires et se sont lentement transformés en pétrole (bassin permien dans la région de Midland et Odessa). Les roches sédimentaires du Permien sont notamment visibles dans le canyon de Palo Duro au nord du Texas mais aussi dans le Guadalupe Mountains National Park. L’ouverture du golfe du Mexique au Mésozoïque à partir d’un rift au sud des Montagnes Ouachita eut des conséquences sur la géomorphologie du Texas. D’importantes quantités de sel et de calcaire se déposèrent sous l’actuelle plaine côtière au Jurassique, lorsque les premières mers peu profondes se formèrent. L’accumulation de couches sédimentaires au crétacé est à l’origine du Plateau d’Edwards.
A partir de la fin du Cénozoïque, le soulèvement général de l’ouest américain provoqua la formation des Montagnes Rocheuses, des chaînes de montagnes et de bassins d’effondrement dans le Transpecos. L’éocène et l’oligocène furent marqués par une intense activité volcanique dans cette région.
Du milieu du tertiaire au quaternaire, les hautes plaines furent progressivement recouvertes de sédiments arrachés par les cours d’eau aux Montagnes Rocheuses situées plus à l’ouest. Le soulèvement des Rocheuses, l’encaissement des cours d’eau et l’érosion engendrèrent également des canyons comme celui de Palo Duro et des escarpements (Caprock, Mascalero). La plupart des vallées se creusèrent à partir du Pleistocene, donnant à la géologie de l’intérieur du Texas sont état actuel.
C’est également au tertiaire que s’est formée la plaine côtière par accumulation de boues, d’alluvions et de sables. Lorsque la mer se retira au début du cénozoïque, le littoral actuel de Texas commença à se dessiner et la plaine côtière, composée de couches sédimentaires très épaisses, apparut progressivement. L’évolution géologique du Texas continue et l’actuelle transgression marine provoquée par le réchauffement climatique risque de modifier le tracé du littoral.
Le Texas n’a jamais été affecté par des tremblements terre violents : celui de Valentine le 16 août 1931 fut l’un des plus importants, mais ne provoqua que des dégâts matériels. Les régions les plus exposées au risque sismique sont le Transpecos et, dans une moindre mesure, le nord de l’État.
À cause de sa superficie, le Texas se caractérise par des climats variés dont les précipitations et les températures varient selon la latitude et l'altitude.
Les précipitations sont comprises entre 1 538,5 mm dans le comté de Jasper (Texas) à l'est, et 239,5 mm à El Paso à l'ouest. La température la plus chaude est de 49°C relevés à Seymour le 12 août 1936 et à Monahans le 28 juin 1994. Le record de froid (-31 °C) a été mesuré à Tulia le 12 février 1899 et à Seminole le 8 février 1933.
Le Sud-Est du Texas se trouve en climat subtropical humide (Cfa dans la classification de Köppen, station de Houston ci-dessous), et possède une végétation proche de celle de la Louisiane voisine. Les précipitations dépassent 1000 mm par an et sont réparties de manière assez régulière sur l'année, avec un maximum en été sur la côte. La température moyenne annuelle est supérieure à 15 °C. Les étés sont chauds et humides, les hivers frais. L'amplitude thermique annuelle est donc relativement importante surtout à l'intérieur des terres. Entre mai et septembre, ces régions sont touchées par des tempêtes et des ouragans qui provoquent d'importants dégâts. L'été est humide et chaud à cause des remontées d'air tropical venu du golfe du Mexique.
L'ouest est davantage aride (voir la station d'El Paso ci-dessous). La plus grande partie de l'État appartient à l'ensemble naturel des Grandes Plaines. Au nord, le blizzard peut paralyser les réseaux de transport en hiver. Le nord-ouest reçoit environ 58 cm de neige par an.
mois | jan. | fév. | mar. | avr. | mai | jui. | jui. | aoû. | sep. | oct. | nov. | déc. | année |
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Température minimale moyenne (°C) | 4,3 | 5,9 | 10,0 | 14,5 | 18,0 | 21,4 | 22,4 | 22,2 | 19,9 | 14,2 | 9,8 | 5,7 | 12,5 |
Température moyenne (°C) | 10,2 | 12,2 | 15,9 | 20,2 | 23,6 | 26,9 | 28,4 | 27,9 | 25,7 | 20,9 | 16,1 | 11,9 | 18,6 |
Température maximale moyenne (°C) | 16,1 | 18,5 | 21,7 | 25,8 | 29,2 | 32,3 | 33,7 | 33,6 | 31,3 | 27,6 | 22,4 | 18,2 | 24,6 |
Précipitations (mm) | 83,6 | 75,2 | 74,2 | 81,5 | 133,1 | 126,0 | 91,4 | 88,6 | 124,2 | 108,5 | 96,3 | 87,6 | 1 170,2 |
mois | jan. | fév. | mar. | avr. | mai | jui. | jui. | aoû. | sep. | oct. | nov. | déc. | année |
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Température minimale moyenne (°C) | 0,4 | 2,7 | 7,6 | 12,6 | 17,0 | 21,1 | 23,4 | 23,1 | 19,4 | 13,2 | 7,4 | 2,4 | 12,5 |
Température moyenne (°C) | 6,3 | 8,8 | 13,7 | 18,6 | 22,7 | 27,2 | 29,6 | 29,4 | 25,2 | 19,6 | 13,4 | 8,3 | 18,6 |
Température maximale moyenne (°C) | 12,3 | 14,9 | 19,9 | 24,6 | 28,3 | 33,3 | 35,8 | 35,7 | 31,0 | 25,8 | 19,3 | 14,2 | 24,6 |
Précipitations (mm) | 46,5 | 55,4 | 70,4 | 88,9 | 124,0 | 75,7 | 58,7 | 56,1 | 86,1 | 89,4 | 58,2 | 46,7 | 856,0 |
mois | jan. | fév. | mar. | avr. | mai | jui. | jui. | aoû. | sep. | oct. | nov. | déc. | année |
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Température minimale moyenne (°C) | -1,4 | 1,1 | 4,6 | 8,9 | 13,6 | 17,9 | 20,2 | 19,2 | 16,4 | 9,8 | 3,6 | -0,7 | 9,4 |
Température moyenne (°C) | 6,0 | 8,9 | 12,8 | 17,4 | 22,1 | 26,9 | 27,9 | 26,7 | 23,6 | 17,8 | 11,3 | 6,7 | 17,3 |
Température maximale moyenne (°C) | 13,4 | 16,8 | 21,1 | 25,9 | 30,6 | 35,8 | 35,6 | 34,2 | 30,6 | 25,8 | 19,1 | 14,2 | 25,2 |
Précipitations (mm) | 10,2 | 10,4 | 7,4 | 5,1 | 6,4 | 17,0 | 39,1 | 40,1 | 43,2 | 19,3 | 11,2 | 14,5 | 223,9 |
Quelque 3 700 cours d'eau et 15 systèmes fluviaux représentant un total de 307 385 km irriguent le Texas. La plupart des fleuves ont une orientation nord-ouest/sud-est. Le Rio Grande coule sur 3034 km dont 2018 km correspondent à la frontière entre les Etats-Unis et le Mexique. Au Texas, son principal affluent est le Pecos (1490 km au total depuis le Nouveau-Mexique). Avec 607 000 km², le bassin hydrographique du Rio Grande est l’un des plus vastes de l’ouest américain : il s’étend sur les États du Sud-Ouest des Etats-Unis et ceux du nord du Mexique. Il forme un delta à son embouchure dans le golfe du Mexique. Le Brazos est le plus grand fleuve du Texas : il mesure 2060 km ce qui en fait le onzième des Etats-Unis. Son bassin hydrographique couvre quelque 116 000 km². Le Colorado (fleuve du Texas) prend sa source près de Lamesa (Texas), traverse la ville d’Austin et parcourt quelque 1380 km. Les autres grands fleuves du Texas sont la Sabine (893 km), la Trinity (885 km), la Neches (669 km) et la Nueces (507 km), qui se jettent tous dans le golfe du Mexique.
L’état est également parcouru par plusieurs affluents du Mississippi : la Red River forme la frontière nord du Texas. Elle mesure 2190 km de long dont 1030 km forment la frontière du Texas. La Canadian River se jette dans l’Arkansas River, un affluent du Mississippi, et coule dans le Panhandle. Enfin, dans les régions arides du l’ouest, certains cours d’eau sont temporaires.
Les fleuves et leurs affluents représentent un enjeu économique au Texas et sont l’objet de concurrences entre l’agriculture, l’industrie, les transports et les citadins. Le Texas possède de nombreux canaux.
Les principaux lacs du Texas sont le lac Caddo à l'est (103 km2). Plusieurs lacs de barrage sont présents sur le Colorado comme le lac Buchanan (90,4 km2), le lac Travis (77 km2) ou encore le lac Austin (6,5 km2). Au total, on recense plus de 180 lacs artificiels et réservoirs, qui sont principalement situés à l’est.
Les infiltrations d’eau dans les terrains calcaires du Texas ont engendré la formation de grottes et de cavernes dans plusieurs régions notamment dans le relief karstique du plateau d’Edwards (Inner Space Cavern, Natural Bridge Cavern, Wonder Cave). L’aquifère d’Edwards s’étend sur environ 10 300 km2 et fournit de l’eau à plus de 2 millions de personnes. L’eau ressurgit au pied du plateau sous forme de résurgences qui ont permis l’implantation de nombreuses villes. Il existe une nappe phréatique fossile sur le rebord de la Llano Estacado, exploitée par les agriculteurs.