Jusqu'au recul de la dernière calotte glaciaire continentale, il y a environ 11 000 ans, l'écozone des Plaines à forêts mixtes était enfouie sous plus d'un kilomètre de glace. Après cette époque glaciaire, la vallée du Saint-Laurent et la vallée inférieure de l'Outaouais ont été recouvertes par la mer de Champlain pendant un autre 200 ans. Les épais dépôts argileux marins du sud et du sud-est de l'Ontario et du sud-ouest du Québec résultent de l'action des glaciers et de la mer de Champlain aujourd'hui disparue. Les centres urbains et les champs cultivés reposent sur des roches sédimentaires mésozoïques et paléozoïques.
Des affleurements rocheux imposants apparaissent dans le paysage de l'écozone où le relief est autrement composé de plaines presque plates à onduleuses. L'un des plus remarquables est l'Escarpement du Niagara qui s'étend depuis les chutes Niagara jusqu'à l'extrémité nord de la péninsule Bruce et l'île Manitoulin.
Des calcaires, des shales et des grès caractérisent les basses terres plates du Saint-Laurent. D'une hauteur de 227 m au-dessus du niveau de la mer, le mont Royal s'élève dans la section la plus plane et la plus large de la plaine de Montréal. La moraine terminale de St-Narcisse, sur la rive nord du Saint-Laurent, et les moraines de Drummondville et de Highland Front, sur la rive sud, sont des éléments visuels dominants du paysage. Plus de 6 000 drumlins sont éparpillés dans les vastes plaines de sable et de calcaires qui s'étendent dans le sud de l'écozone entre les lacs Huron, Ontario et Érié.
L'écozone des Plaines à forêts mixtes est dotée d'abondantes ressources en eau douce, y compris quatre des Grands Lacs— Supérieur, Huron, Érié et Ontario —et le tronçon du fleuve Saint-Laurent entre Kingston et la ville de Québec. Ces Grands Lacs contiennent 20 % de toute l'eau douce de la planète. Le fleuve Saint-Laurent a le débit sortant le plus important de tous les cours d'eau canadiens et se classe au treizième rang au monde. Ses affluents, comme la rivière des Outaouais, le Saint-Maurice et le Saguenay, grossissent son écoulement tout au long de sa course de 600 km vers le golfe. Les cours d'eau et les lacs occupent environ 42 % de la superficie totale de l'écozone.
Le mode d'utilisation des terres est influencé par les variations du climat, de la végétation et des sols. Les podzols du nord sont généralement impropres à l'agriculture mais propices à l'exploitation forestière et aux activités récréatives. Formés à partir de dépôts glaciaires à la faveur d'un couvert forestier, les luvisols brun gris du sud sont recherchés pour la culture du tabac et des fruits.
Le climat des Plaines à forêts mixtes se caractérise par des étés relativement chauds et des hivers frais qui sont modérés par les étendues d'eau environnantes. Les températures quotidiennes moyennes varient de -3 à -12 oC en janvier et de 18 à 22 oC en juillet. L'écozone est le siège d'une vaste gamme d'activités agricoles et le nombre de degrés-jours de croissance de plus de 5 oC varie de 1750 dans le nord à 2 500 dans le sud. Elle reçoit des précipitations annuelles de 720 à 1 000 mm. Puisque l'écozone est située au coeur d'une importante zone de tempête de l'Amérique du Nord, le temps peut y changer rapidement. Plusieurs villes du sud reçoivent des quantités considérables de neige.