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Le département de la Haute-Marne tire son nom de la Marne, rivière qui prend sa source près de Langres. Cette rivière le parcourt sur plus de 120 kilomètres.
Il est situé à l’est du Bassin parisien et est caractérisé par une suite concentrique de cuestas.
L'extrême sud du département correspond au centre du seuil morvano-vosgien : plateau de Langres, où se trouve le point culminant de la Haute-Marne (le Haut de Baissey à 523 m[1]), Barrois méridional et Apance-Amance.
L'orographie s'abaisse au nord vers les plaines du Perthois et du Pays du Der, où se situent ses points les plus bas (Puellemontier – 117 mètres).
La micro-région naturelle du Langrois se compose des deux ensembles suivants :
La plaine de Vingeanne est une vallée agricole large de quelques kilomètres parcourue par la rivière éponyme et le ru de Chassigny. Cette plaine, ponctuée de quelques buttes-témoins, marque une séparation entre le plateau de Langres à l'ouest et au nord-ouest, les digitations méridionales des plateaux de la Saône au nord-est (Apance-Amance) ainsi que le plateau de Champlitte à l'est. S'ouvrant vers le sud, elle constitue en outre le seul couloir de communication naturel d'importance entre la haute-plaine de Saône au sud et la haute-vallée de la Marne au nord. Cette topographie lui vaut notamment d'être traversée par le canal de la Marne à la Saône dont la retenue de Villegusien régule l'alimentation en eau.
Ces fronts de côtes sont largement entaillés par un réseau hydrographique important. La Haute-Marne est considérée comme le château d’eau du nord-est de la France. Environ 500 rivières et ruisseaux courent sur plus de 2 300 kilomètres.
La Meuse prend sa source à Pouilly-en-Bassigny.
Affluents de la Seine (qui prend sa source dans la Côte-d'Or), la Marne et l’Aube naissent également sur le plateau de Langres.
Une quinzaine de kilomètres séparent la source de la Marne de celle de la Vingeanne. Si les eaux de la première vont se jeter dans la Manche, celles de la seconde, affluent de la Saône donc indirectement du Rhône, vont vers la mer Méditerranée : le plateau de Langres est donc situé sur une ligne de partage des eaux.
Aux nombreux étangs viennent s’ajouter les réservoirs artificiels. Ceux de Langres (Villegusien, la Mouche, la Liez et Charmes) ont été créés au XIXe siècle pour alimenter le canal de la Marne à la Saône. Le lac du Der, à proximité de Saint-Dizier, sert à la régulation de la Marne. Avec ses 4 800 hectares répartis entre le département et la Marne, c’est plus grand lac artificiel d’Europe.
La Haute-Marne est couverte à 40 % de son territoire par des forêts, soit un peu plus de 250 000 hectares. C’est, en superficie, le 9e département le plus boisé de France. Un projet de Parc national des Forêts de Champagne et Bourgogne devrait aboutir en 2019 associant le département à celui de la Côte-d'Or.
Certains massifs dépassent les 10 000 hectares (Châteauvillain, Arc-en-Barrois). Les deux essences qui dominent sont le chêne et le hêtre.
La faune y est abondante : gros gibiers, cervidés. Le réseau important de sentiers d'exploitation, de découverte et de randonnée permet souvent la découverte de ces animaux. Les chasses y sont renommées car fructueuses.
D'un point de vue floristique, le département est réputé pour être la terre des orchidées sauvages : plus de 30 espèces y ont été déterminées, dont le fameux Sabot de Vénus.
Les habitants de la Haute-Marne sont les Haut-Marnais.