La Lorraine appartient, géologiquement, au Bassin parisien. Toutefois, les Vosges constituent un massif ancien rhénan. La région est formée par des couches mésozoïques de plus en plus récentes d'E. en O. Les plus anciennes, les grès du trias, reposent sur le socle vosgien. Vers l'O., on trouve des couches de calcaires, d'argiles et de marnes. L'alternance couche dure (au sommet)-couche tendre (à la base) a permis la formation des « côtes » (ou cuestas), qui constituent les reliefs essentiels, se prolongeant vers l'O. par des plateaux. Les côtes forment des auréoles parallèles. Les plus importantes sont les Côtes de Moselle et les Côtes (ou Hauts) de Meuse. Alors que les couches s'inclinent vers l'O., les cours d'eau principaux se dirigent vers le N., disposition qui a eu d'importantes conséquences sur l'aménagement par l'homme : pendant longtemps la direction méridienne l'a emporté dans les relations humaines, économiques et politiques. La Lorraine est un trait d'union entre le « Sud » de la France (régions de la Saône et du Rhône) et la Rhénanie. La rudesse du climat est souvent exagérée. Les journées d'hiver sont froides avec un ciel bleu, mais la moyenne du mois le plus froid (janvier) n'est négative que dans la montagne vosgienne. Juillet est le mois le plus chaud : entre 17,3 et 18,4 °C. Le printemps paraît s'effacer, le passage de l'hiver à l'été étant rapide. L'automne est généralement bien marqué et agréable (favorable à la vigne). Les pluies surviennent à toutes les époques ; leur répartition exprime des affinités continentales. La moyenne annuelle sur les plateaux est de 750 à 800 mm par an. L'enneigement est irrégulier d'une année sur l'autre (compromettant les sports d'hiver).
La vie économique a longtemps reposé sur l'extraction du charbon et du minerai de fer, la sidérurgie, l'industrie textile (Vosges). C'est dans le triangle Longwy-Briey-Thionville que se situait l'essentiel du minerai de fer (la « minette », pénalisé par sa faible teneur de 32 % en métal). Le bassin méridional, autour de Nancy, étant beaucoup plus restreint. L'exploitation du minerai de fer a cessé dans les années 1990. La sidérurgie remonte au Moyen Âge, au moins (charbon de bois). Toutefois, l'économie de la région fut bouleversée par l'arrivée d'une famille flamande : les Wendel (Van Dael), qui s'établit à Hayange (vallée de la Fensch). La sidérurgie gagna aussi la vallée de la Chiers (Longwy) et les environs. 1871 amena des bouleversements profonds. La frontière franco-allemande traversait le bassin ferrifère, ce qui ne favorisait pas la diversification industrielle et l'investissement de capitaux importants. Les industriels sarrois et allemands utilisèrent la Moselle comme base de ravitaillement en minerai et en fonte. Ils créèrent de nouvelles et grandes usines à Hagondange, Rombas, Uckange, Knutange, Thionville. Les nouvelles usines construites dans la Lorraine restée française étaient plus petites et souvent mal situées (en amont des vallées).
La crise a débuté vers les années 1960, malgré la canalisation de la Moselle, dans laquelle on avait placé beaucoup d'espoir. De multiples fusions de sociétés sidérurgiques n'ont pas empêché l'accroissement des déficits d'exploitation. La société Sacilor dominait dans les vallées de l'Orne, de la Fensch et de la Moselle. Usinor, après l'abandon, en 1977, de son usine de Thionville, s'est repliée sur la région de Longwy ; Sacilor et Usinor ont été nationalisées en 1982. L'entreprise, aujourd'hui privatisée, a fusionné en 2002 avec une firme espagnole et une firme luxembourgeoise et a été renommée Arcelor, puis a été achetée par une entreprise indienne et a pris le nom d'ArcelorMittal. Les effectifs salariés de la sidérurgie ont considérablement diminué. C'est le nord de la Lorraine qui est le plus durement touché. La Lorraine ne produit plus que le quart de l'acier français (60 % avant 1939). L'extraction du charbon a cessé en 2004. L'industrie chimique est implantée notamment à Carling-Saint-Avold et à Forbach, sur les salines. Le nombre d'emplois dans l'industrie est passé de 210 000 en 1992 à 160 000 en 2004.
On connaissait déjà au XVIIIe s. le travail du coton dans les Vosges. Toutefois, c'est le traité de Francfort qui va tout bouleverser. Des industriels alsaciens, pour garder le marché français, ont installé des usines dans les hautes vallées vosgiennes. La prospérité régna jusqu'après la Première Guerre mondiale, du fait du monopole français dans les colonies. La crise s'accéléra après 1945 et touche surtout les hautes vallées, qui se dépeuplent. La reconversion a permis d'implanter quelques usines à Remiremont, Épinal, Saint-Dié. La plupart des entreprises ont passé entre les mains de sociétés extérieures à la région, ce qui aggrave le problème vosgien.
À côté des héritages historiques, il faut ajouter que la Lorraine est plutôt une mosaïque de régions industrielles, sans liens structuraux étroits entre elles. La reconversion a été un échec. L'industrie automobile n'est venue s'installer en Lorraine qu'en 1969-1970, et à peine la moitié des emplois prévus a été créée. La population, qui était une des plus jeunes de France, vieillit, et, le solde migratoire étant négatif, la Lorraine voit sa population stagner, et même diminuer dans la Meuse et les Vosges, les départements les plus ruraux et déjà les moins peuplés. L'essor industriel d'après-guerre s'est surtout exprimé en Lorraine du Nord (Moselle). Plusieurs dizaines de milliers de Lorrains vont travailler quotidiennement en Allemagne, en Belgique et, dans leur grande majorité (60 000), au Luxembourg, ce qui représente une source de revenus pour la Région. Le thermalisme (avec les stations thermales de Contrexéville, Vittel, Amnéville, Plombières-les-Bains et Bains-les-Bains) hisse la Lorraine au sixième rang français. La filière bois, présente surtout dans les Vosges, met la Lorraine au deuxième rang pour le bois d'œuvre.
Le réseau de transport a connu des améliorations sensibles : aménagement de la Moselle (gabarit européen jusqu'à Neuves-Maisons), autoroutes (Paris-Metz-Strasbourg et Allemagne ; Luxembourg-Metz-Nancy). aéroport régional, T.G.V. Est (depuis 2007). La vallée de la Moselle, couloir de circulation européen entre le Luxembourg et Dijon, via Metz et Nancy, voit son importance se renforcer avec l'implantation de plates-formes logistiques. La Lorraine a des atouts : de vastes espaces forestiers et ruraux, une agriculture moderne et dynamique, des plans d'eau nombreux, un potentiel touristique (parc régional de Lorraine, parties des parcs régionaux des Vosges du Nord et des Ballons des Vosges), une situation de carrefour, au contact des deux civilisations européennes (le monde latin et le monde germanique), limitrophe de la Belgique, du Luxembourg et de l'Allemagne. Elle souffre cependant de l'absence de grande ville (Metz et Nancy, les seules à dépasser 100 000 habitants, sont plus rivales que complémentaires), de celle d'industries de pointe, partiellement liée à un développement relativement tardif des équipements scientifiques et culturels.
Déjà fortement peuplée à l'époque celtique, la région profite de la paix romaine : la vallée de la Moselle devient un important axe de communication, tandis que se fondent des villes – Metz, Toul, Verdun… – promises à un avenir de prospérité. L'invasion des Francs du Rhin au Ve s. contribue à la germanisation de la partie septentrionale et orientale du pays qui, au VIIe s., est christianisé grâce à la fondation de nombreuses abbayes. La région de Metz devient le noyau du royaume d'Austrasie. À l'époque carolingienne, le pays est un centre de renaissance culturelle. Créée en 843 (traité de Verdun), partagée en 870 entre Charles le Chauve et Louis le Germanique, la Lotharingie est abandonnée au roi de Germanie en 880. À la fin du Xe s., le duché est divisé en Basse-et Haute-Lorraine, cette dernière partie devant former le duché de Lorraine, donné, en 1048, à Gérard d'Alsace. La Lorraine est déchirée entre les influences rivales de la France, de la Bourgogne et de l'Empire. René II, duc de 1473 à 1508, s'oppose à l'annexion de la Lorraine par la Bourgogne (mort de Charles le Téméraire devant Nancy, 1477).
Le XVIe s., marqué par la Réforme, qui rencontre une certaine faveur en Lorraine, voit les rois de France s'intéresser au duché : en 1552, Henri II s'empare des Trois-Évêchés, Metz, Toul et Verdun. Près d'un siècle plus tard, les intrigues du duc Charles IV contre Richelieu amènent l'intervention française. Celle-ci dure jusqu'au traité de Ryswick (1697) qui rend la Lorraine au duc Léopold, dont le fils, François III, cède, en 1737, ses droits sur le duché à Stanislas Leszczyński, roi détrôné de Pologne, en échange de la Toscane. Beau-père de Louis XV, Stanislas, installé à Lunéville, contribue à la prospérité économique et industrielle du duché (sidérurgie, cristalleries, faïenceries…) et à son rayonnement culturel et artistique (Nancy). À sa mort, en 1766, la Lorraine devient française. En 1790, elle est divisée en quatre départements : Moselle, Meuse, Meurthe et Vosges ; en 1815, elle est amputée de Sarrelouis et de Sarrebruck. À partir de 1848, la Lorraine connaît un essor industriel considérable ; mais, après la défaite de 1870, une grande partie des départements de la Moselle et de la Meurthe est annexée par les Allemands, qui la rendent à la France en 1919. Au cours de la Seconde Guerre mondiale, la Lorraine est de nouveau annexée par les Allemands. Elle est libérée en 1944.
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