Շիրակի մարզում է գտնվում Աշոցքի սարահարթը, որի բարձրությունը 1800-2200 մետր է: Աշոցքի սարահարթում օդի բացարձակ նվազագույն ջերմաստիճանը իջնում է մինչև -46°: Դա Հայկական լեռնաշխարհի «ցրտի բևեռն է»: Այստեղ է գտնվում Արփի լճի ջրամբարը:
Մարզի միակ խոշոր գետը Ախուրյանն է, որը սկիզբ է առնում Արփի լճից: Գետի ակունքի վրա կառուցվել է ամբարտակ, և բնական լիճը վերածվել է ջրամբարի: Մարզի տարբեր մասերում հանդիպում են ուրարտական սեպագիր արձանագրություններ, տարբեր ժամանակների բերդերի ու ամրոցների ավերակներ, կամուրջների հետքեր, այլ հնություններ: Պետական սահմանից այն կողմ, Թուրքիայի տարածքում, ընդամենը մի քանի կմ-ի վրա երևում են Բագրատունյաց Հայաստանի մայրաքաղաք Անիի ավերակները:
Շիրակի մարզում են տարածվում Փամբակի, Բազումի լեռնաշղթաների, Եղնախաղի, Ջավախքի, Արագածի լեռնազանգվածների մի մասը։ Շիրակի մարզը հայտնի է տուֆի, պեմզայի, կրաքարի հանքերով։