Lo Stato è situato nel nord-est degli Stati Uniti, tra la regione dei Grandi laghi e l'oceano Atlantico. Confina a nord con lo Stato di New York e con il Lago Erie, a est con New Jersey e Delaware, a sud con Maryland e Virginia Occidentale, a ovest con l'Ohio.

Per quanto non molto elevati, i monti Appalachi costituiscono la più importante caratteristica fisica della Pennsylvania, attraversandola in diagonale, da sud ovest a nord est. Sul loro versante sud orientale si trova una regione di colline molto dolci e di pianure alluvionali.

Invece sul versante nord occidentale si trova l'altopiano degli Allegani; questo altopiano è percorso da numerose vallate, tanto da sembrare montagnoso esso stesso. Questo altopiano prosegue a nord entro lo Stato di New York, mentre ad ovest declina progressivamente, trasformandosi nelle pianure che caratterizzano l'Ohio e gli altri stati del Midwest.

La massima elevazione (Monte Davis) è di 979 m s.l.m., mentre la minima si trova sulle rive del fiume Delaware, che sono praticamente al livello del mare stesso.

Lo spartiacque degli Appalachi attraversa completamente la Pennsylvania e la suddivide in due distinte zone idrografiche: le acque della regione a sud-est delle montagne fluiscono direttamente nell'Oceano Atlantico, formando i fiumi Delaware (al confine con il New Jersey) e Susquehanna, o finendo come tributari del Potomac. Invece le acque che cadono a nord ovest degli Appalachi vengono raccolte dai fiumi Allegheny e Monongahela, che a Pittsburgh si uniscono a formare il fiume Ohio, uno dei principali affluenti del Mississippi, che sfocia nel Golfo del Messico.

Il clima è continentale, con inverni freddi e nevosi e stagioni estive calde e temporalesche. In genere nel periodo fra dicembre a marzo le temperature minime restano sotto lo zero su gran parte dello Stato. In questi mesi la Pennsylvania (assieme a tutta la costa nord-orientale degli Stati Uniti ed a parti del Canada) è soggetta a vere e proprie tempeste di neve e vento (i cosiddetti blizzard), che fanno precipitare le temperature a livelli molto inferiori allo zero e possono seppellire le città sotto metri di neve.

Anche in Pennsylvania, come in gran parte degli USA si possono formare dei tornado e uragani, ma con frequenza molto inferiore a quella delle parti più meridionali o più interne del Paese.

Prima dell'arrivo degli europei, la Pennsylvania era abitata dalle tribù dei Delaware, dei Susquehanna, degli Irochesi, degli Eriez e degli Shawnee.

Nel 1643 alcuni coloni svedesi si stanziarono nella parte sud-orientale dello Stato, ma il controllo passò rapidamente prima agli olandesi e poi agli inglesi. Nel 1681 re Carlo II d'Inghilterra concesse a William Penn l'autorizzazione a colonizzare una regione comprendente l'attuale Pennsylvania e parte degli attuali Stati circostanti (in particolare tutto il Delaware). Penn vi fondò una colonia (la Pennsylvania, appunto) che doveva fungere da rifugio per i suoi correligionari quaccheri; in quell'anno fu fondata anche la città di Filadelfia, che ne è ancora oggi il centro più importante (per quanto la capitale dello Stato sia la cittadina di Harrisburg).

Fra il 1704 ed il 1710 le tre contee meridionali di New Castle, Kent e Sussex si separarono dalla Pennsylvania, formando la colonia del Delaware.

La colonia accolse numerosi immigrati, spesso da paesi del nord Europa o dalla Germania e prosperò rapidamente, tanto che alla fine del XVIII secolo Filadelfia era per popolazione la seconda città di lingua inglese al mondo (dopo Londra).

Pennsylvania e Delaware sono fra le 13 colonie che si ribellarono agli inglesi durante la lotta anticoloniale: la Dichiarazione di Indipendenza fu redatta a Filadelfia nel 1776.

Al termine della guerra vi fu scritta anche la costituzione statunitense. La Pennsylvania fu il secondo Stato a ratificare questa costituzione (12 dicembre 1787), entrando a far parte dell'Unione, e fra il 1790 ed il 1800 (cioè fino a quando il governo fu trasferito a Washington) Filadelfia fu capitale della nuova nazione statunitense.

La Pennsylvania è dotata di due importanti aeroporti internazionali a Filadelfia (codice PHL) e Pittsburgh (PIT).

Vi è un'estesa rete stradale, che include numerose autostrade, fra cui le più importanti sono la I-95 (che va dal Maine alla Florida seguendo la costa e passando per Filadelfia), la I-76 (Pennsylvania Turnpike, a pedaggio) che collega Filadelfia e Pittsburgh e la I-80 (che va da New York a San Francisco e attraversa tutto il nord della Pennsylvania.

Filadelfia e Pittsburgh sono anche importanti porti fluviali, specialmente Filadelfia, che grazie alla navigabilità dell'estuario del Delaware è praticamente un porto oceanico.

Lo Stato è attraversato da diverse linee ferroviarie, in particolare dal cosiddetto Corridoio di Nord-Est che collega le principali città della East Coast (Boston, New York, Filadelfia, Baltimora, Washington) e dalla linea che collega la costa a Chicago, passando per Harrisburg e Pittsburgh.

Filadelfia e la sua area metropolitana sono dotate di un'ampia rete di trasporto locale (SEPTA), che si estende anche nel New Jersey e nel Delaware, e che comprende anche una metropolitana. Anche Pittsburgh è dotata di una metropolitana leggera.