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Lo stato della West Virginia (Virginia Occidentale) è estremamente irregolare. Dal punto di vista fisico può essere diviso in due grandi zone: l'altopiano degli Appalachi, e la catena e valle degli Appalachi. Si tratta di un stato selvaggio, con un'altezza media di 458 m. Il punto più elevato si trova in Spruce Knob, 1.483 m, ed il punto più basso nel fiume Potomac, vicino alla località di Harpers Ferry, 73 m su del livello del mare. Nell'altopiano degli Appalachi, a ovest della catena omonima, si trovano i principali centri abitati dello stato, poiché è in questa regione che si trovano le principali miniere di carbone ed altri minerali. La regione della catena e valle degli Appalachi forma la frontiera naturale con lo stato della Virginia. Si tratta di una zona montuosa di grande ricchezza forestale, e strette valli, con terre adatte per le attività agricole e del bestiame.
Lo stato della West Virginia ha due sistemi fluviali: quello del fiume Ohio e quello della baia di Chesapeake. Il fiume Ohio, tributario del Mississippi, percorre parte del territorio della West Virginia. Nell'Ohio che è navigabile, sfociano i fiumi che scorrono nelle terre dell'ovest dello stato, tra essi il Monongahela, il Little Kanawha, il Kanawha, il Guyandotte e il Big Sandy. Il fiume Potomac che sfocia nella baia di Chesapekae, riceve le acque dello Shenandoah, del North Branch e del South Branch. In quanto ai laghi, la West Virginia non ha laghi naturali importanti, anche se ne sono stati costruiti di artificiali lungo il corso dei principali fiumi. Tra questi bacini artificiali il lago Summersville, il Bluestone, il Sutton, il Tygart e l'East Lynn. Il clima della West Virginia dipende enormemente dalla topografia, per questo si registrano molte variazioni di temperatura e precipitazioni.
Il clima può essere definito continentale, salvo nella striscia di territorio che entra a est nello stato della Virginia e che riceve venti umidi dell'Atlantico. Le temperature medie annuali oscillano tra 13 °C, nel sud-ovest, e 9 °C, in alcune zone montuose. In gennaio, le temperature medie oscillano secondo le zone, tra i 0 °C e -1 °C, mentre in Luglio la media in tutto il territorio è di 24 °C. Le temperature massime e minime registrate in West Virginia sono di -37 °C e 42 °C. In quanto alle piogge, la media dello stato oscilla tra 900 mm e 1.520 mm. Le precipitazioni nevose sono frequenti sui monti Appalachi. Mentre uragani e tornado non sono frequenti, la West Virginia soffre frequentemente, soprattutto nei mesi estivi, di alluvioni.
La flora della Virginia Occidentale varia notevolmente a seconda dell'altitudine. Nelle valli fertili e umide, prosperano ciliegi, con la loro caratteristica fioritura primaverile, e querce, che dominano il paesaggio con la loro imponenza. Man mano che si sale verso le altitudini più elevate, queste specie lasciano spazio a fitte macchie di conifere. Tra queste, gli abeti rossi e i pini bianchi sono tra le specie più comuni. Oltre a queste piante iconiche, la Virginia Occidentale ospita anche una varietà di fiori selvatici, felci e muschi. I boschi di rododendri e le aree ricoperte da lauri di montagna offrono uno spettacolo naturale bello durante la stagione della fioritura. Le foreste e le valli dello stato sono popolate da una ricca fauna selvatica. I cervi dalla coda bianca sono tra gli animali più comuni . Anche gli orsi neri sono presenti, benché più difficili da avvistare, essendo animali schivi che preferiscono le aree più remote. Scoiattoli, volpi, puzzole, opossum e procioni sono altri abitanti tipici delle foreste della Virginia Occidentale. Con numerosi fiumi e ruscelli che attraversano il territorio, sono l'habitat ideali per molte specie di pesci. Le trote, in particolare. Anche le carpe e il pesce persico sono comuni nelle acque dello stato.