Lasy pilskie usytuowane są w dwóch sąsiadujących ze sobą krainach przyrodniczo-leśnych, tj. w I Krainie Bałtyckiej, Dzielnicy Pojezierza Wałecko-Myśliborskiego oraz w III Krainie Wielkopolsko-Pomorskiej, w Dzielnicach: Pojezierza Krajeńskiego, Kotliny Gorzowskiej, Niziny Wielkopolsko-Kujawskiej.

Rzeźba terenu ukształtowana została przed około 12 tysiącami lat pod wpływem działania lądolodu (zlodowacenie bałtyckie). Efektem działalności lodowca są m.in. ciągi moren czołowych (w okolicy Czarnkowa i Chodzieży), rozległe pola sandrowe Równiny Wałeckiej i Pojezierza Krajeńskiego, formacje piasków wydmowych (na terenie Puszczy Noteckiej), głębokie doliny rzeczne (pradolina Noteci, dolina Gwdy), liczne jeziora (ponad 440 jezior o powierzchni ponad 1 ha – w tym największe – 877 ha i najgłębsze – 41 m Jezioro Bytyń). Przeważają typy rzeźby nizinnej – równinny, równinno-falisty i falisty (na łącznie 84% powierzchni).

Najniżej położony punkt znajduje się zaledwie na wysokości 27,3 m (dolina Noteci koło Krzyża). Kulminacja wysokości to wierzchołek Brzuchowej Góry (koło Krzywej Wsi, na terenie nadleśnictwa Lipka) – 207,8 m nad poziomem morza.

Wśród gleb najliczniej reprezentowane są gleby rdzawe, bielicowe i brunatne.

Średnia temperatura roczna wynosi +7,9^oC, średnia ilość opadów rocznych – 575 mm, a w okresie wegetacyjnym – 390 mm. Najcieplejszym miesiącem jest lipiec ze średnią temp. + 18,8^oC a najchłodniejszym styczeń -2,0^oC.