Geografia fizyczna i klimat Nowa Południowa Walia dzieli się na cztery główne regiony geograficzne i klimatyczne, rozłożone południkowo. Większość ludności koncentruje się na wybrzeżu, gdzie panuje klimat od umiarkowanego morskiego przy granicy ze stanem Wiktoria do subtropikalnego przy granicy ze stanem Queensland. Dalej na zachód usytuowany jest obszar Wielkich Gór Wododziałowych i ich pogórza. Najwyższe partie tego pasma (Alpy Australijskie) są jedynym miejscem w Australii, gdzie okresowo występuje pokrywa śnieżna. Kolejny region to słabiej zaludnione obszary rolnicze o nieco bardziej kontynentalnym klimacie (np. okolice miasta Wagga Wagga). Najdalej na zachód wysunięte są półpustynne i pustynne pustkowia, gdzie koncentruje się górnictwo (jego najważniejszym ośrodkiem jest Broken Hill).
Podobnie jak w całej Australii, najcieplejszymi miesiącami roku są styczeń i luty, a najzimniejszymi czerwiec i lipiec. W Sydney średnia temperatura stycznia waha się między 18 a 26 stopni Celsjusza, z kolei dla lipca jest to przedział od 8 do 16 stopni.