Los accidentes orográficos más importantes de la región son los farallones de Cali, la cordillera de Paramillo, los páramos de Barragán, Miraflores y Pijao y los cerros de Calima, Juanambú, Pan de Azúcar, Paramillo y Tres Cruces.

En el Valle del Cauca hay dos sistemas hidrográficos: el primero tributa sus aguas al océano Pacífico y el segundo al río Cauca. Algunos ríos que bañan el departamento son: Barragán, Cali, Mayorquin, Párraga, San Juan, Toche, Tuluá y Zabaleta.

Cuenta con dos bahías principales, la de Málaga y la de Buenaventura.