Bilecik ili toprakları tepelik alanlar, dik ve derin vadilerle yarılmış aşınım düzlükleridir. Kuzey Anadolu kenar dağları, yani, Karadeniz dağlarının başlangıç merkezi, İç Anadolu platolarının başlangıç yeri, Marmara Bölgesinin ise kıyı ve akarsu çanak tabak ovalarının sona erdiği alanlarının tamamı ilin sınırları içerisindedir.
Kuzey Anadolu dağlarının denizden içeriye doğru ikinci serisi olan Köroğlu Dağları ilin topraklarında başladığından arazinin batıdan doğuya doğru birden yükselmesine neden olur. Bu
yükselti güneye doğru inildikçe dalgalı bir görünüm alır. Bozüyük Ovası ve Sakarya ırmağı ile kuzey-güney yönünde iki bölüme ayırır. Dağlar bu ırmağın her iki yakasında devam eder.
Bilecik ilinin deniz seviyesinden yüksekliği 500 metredir. Güneydoğuya Karasu vadisine gidildikçe yükseklik azalmaktadır. Nitekim bu vadide kurulu İstasyon Mahallesinin denizden yüksekliği 200 metreye kadar iner.
Dağlar il topraklarının % 32’sine yakın bir bölümünü kaplar. Bu yükseltiler daha çok tepe görünümündedir. İlin en yüksek noktası Bozüyük ilçesinin batı ve güneybatısında yer alan yükseltiler üzerindeki Kala Dağı’dır (1906 m).
Diğer önemli yükseltiler Yirce Dağı (1790 ), Metristepe (1300 m), Göldağı (1284 m), Kızılcaviran (1250 m), Osmaniye (1210 m), Ahi Dağı (1100 m), Dokuz Öküz Tepesi (1150 m), Ballıkaya (1050 m), Kızıltepe (990 m), Avdan Dağları (926 m), Paşa Dağları (922 m), Kurudağ (805 m)’dır.
Genellikle Sakarya Irmağı boyunca uzanan çok geniş olmayan düzlükler şeklinde ovalar il topraklarının % 7’lik bir bölümünü kaplar. Ovalar akarsuların dar ve derin vadilerden akarken parçaladıkları arazilerden taşıdıkları verimli alüvyonları son bölgelerinde biriktirmelerinden oluşan ovalarıdır.
Bozüyük, Gölpazarı, Osmaneli ve Pazaryeri Ovaları başlıca düzlük alanlardır. İlde yayla tanımı içerisine sokulabilecek düzlükler çok azdır. Bu tür yeryüzü şekilleri il topraklarının yalnızca % 0,5’ini oluşturmaktadır. İl topraklarının büyük bir bölümü (% 59,9) aşınım düzlükleri durumundadır. Tepelik alanlarda tümsekleşip tipik “V” biçimli vadilerle parçalanan bu düzlükler, il topraklarının engebeli bir görünüm almasına neden olmuştur.
İl topraklarındaki vadiler genellikle dik ve derin yarıklar biçimindedir. Bunların en önemlisi Sakarya Vadisidir. Göksu Vadisi, Göynük Vadisi ve Karasu Vadisi de önemli vadilerdir.