Der Großteil der Landtagswahlsysteme entspricht dem Bundestagswahlsystem. Sie wenden eine personalisierte Verhältniswahl an. Nur in Bremen, Hamburg und im Saarland liegt im Gegensatz dazu ein Verhältniswahlsystem in Mehrpersonenwahlkreisen vor. Die Wählerinnen und Wähler haben im Saarland nur eine Stimme, in Bremen dagegen seit 2011 fünf, in Hamburg zehn Stimmen. In den anderen Ländern mit Ausnahme Baden-Württembergs besitzen die Wählerinnen und Wähler zwei Stimmen. Sie entscheiden mit der Erststimme über einen Wahlkreiskandidaten /eine Wahlkreiskandidatin und mit der Zweitstimme über eine Parteiliste. Neben den Direktmandaten werden die weiteren Sitze über die Landeslisten der Parteien vergeben. Das Gesamtergebnis der Zweitstimmen bildet die Grundlage für die proportionale Verteilung der Mandate. Wie bei der Bundestagswahl werden zunächst die von den Parteien gewonnenen Direktmandate verteilt. Der Rest der Sitze wird mit Listenplätzen aufgefüllt. Dabei wenden einige Länder das rechnerische
Überhangmandate, die bei der personalisierten Verhältniswahl entstehen können, werden in den meisten Ländern durch zusätzliche Mandate (Ausgleichsmandate) ausgeglichen, damit die proportionale Verteilung der Stimmen insgesamt wieder gewährleistet wird. In Baden-Württemberg und Bayern geschieht dies allerdings nicht wie in den anderen Ländern landesweit, sondern nach Regierungsbezirken getrennt. Mitunter führt diese Regelung zu einer deutlichen Aufblähung der Parlamente. So umfasste der baden-württembergische Landtag von 1996 bis 2001.155 statt 120 Abgeordnete. In Brandenburg wird die Vergrößerung des Parlaments durch Überhang- und Ausgleichsmandate begrenzt, indem mit 110 Sitzen eine Obergrenze festgelegt wird, die nicht überschritten werden darf.
Die Fünfprozentklausel gilt grundsätzlich bei allen Landtagswahlen. In einigen Fällen (Berlin, Brandenburg, Schleswig-Holstein, Sachsen) kann eine Partei aber auch über eine bestimmte Anzahl von Direktmandaten in das Parlament einziehen. Zudem sind Parteien der sorbischen bzw. dänischen Minderheit in Brandenburg und Schleswig-Holstein von der Fünfprozentklausel befreit. Bei der Bürgerschaftswahl in Bremen gilt die Sperrklausel nur getrennt für die Städte Bremen und Bremerhaven. In Berlin werden ferner auch die ungültigen Stimmen in die Berechnung der Stimmenanteile miteinbezogen, was somit auch Auswirkungen auf das Erreichen der Fünfprozenthürde haben kann.
Die Anzahl der Direkt- und Listenmandate variiert zwischen den einzelnen Bundesländern. Nur in Hessen, Rheinland-Pfalz und den neuen Ländern sind gleich viele Direkt- wie Listenmandate zu verteilen. In der Regel gibt es aber mehr Direkt- als Listenmandate. Mit Ausnahme von Baden-Württemberg verfügen die Wählerinnen und Wähler in allen Systemen mit personalisierter Verhältniswahl über zwei Stimmen, bei einfacher Verhältniswahl (Saarland) über eine Stimme. In Bremen können die Wählenden seit 2011 nunmehr fünf Stimmen vergeben (statt vorher eine). Die hohe Anzahl von zehn Stimmen in Hamburg bezieht sich sowohl auf jeweils fünf zu vergebende Stimmen auf den Landeslisten als auch auf den Wahlkreislisten.
Während die Wählerinnen und Wähler mit ihrer Stimme zumeist nur pauschal über starre Listen entscheiden können, haben sie in Sonderfällen Einfluss auf die Wahl der über die Liste gewählten Abgeordneten. In Bayern können die Wählerinnen und Wähler auf den begrenzt offenen Listen die Kandidatenrangfolge beeinflussen.
Im Unterschied zu den meisten Ländern, die bei der proportionalen Zuteilung der Sitze als ein Wahlkreis behandelt werden, ist das bayerische Wahlgebiet in Wahlkreise und Stimmkreise eingeteilt. Bei der Landtagswahl im Jahr 2018 gab es sieben Wahlkreise (114 Listenmandate) und 91 Stimmkreise (Direktmandate). Die Parlamentssitze werden entsprechend dem Verhältnis der Einwohnerzahlen der einzelnen Wahlkreise, die mit den Regierungsbezirken identisch sind, verteilt.
Baden-Württemberg ist hingegen das einzige Bundesland, in dem es keine Landeslisten gibt. Die Wählerinnen und Wähler entscheiden mit ihrer Stimme sowohl über die für den Wahlkreis kandidierende Person als auch über die proportionale Verteilung der zu vergebenden Mandate. Da alle Sitze im Landtag mit Wahlkreisbewerberinnen und -bewerbern besetzt werden, kommen auch Kandidatinnen und Kandidaten zum Zuge, die in ihrem Wahlkreis zwar nicht die relative Mehrheit erhalten haben, aber im Regierungsbezirk innerhalb ihrer Partei die meisten Stimmen erhielten. Dieses sehr spezielle Wahlsystem gilt daher auch als eines der intransparentesten der Republik (Matthias Trefs 2008).
In der Hansestadt Hamburg gab es in den Nullerjahren etliche Änderungen des Wahlrechts. Nach einem Volksentscheid 2004 wurde zunächst ein stark personalisiertes Wahlrecht beschlossen, das jedoch im Oktober 2006 von der damals regierenden CDU revidiert wurde, um den Einfluss der Parteien auf die Zusammensetzung der Bürgerschaft wiederherzustellen. Die im Jahr 2009 gefundene Wahlrechtseinigung stellt nun einen Kompromiss dar, der sich wieder stärker am Willen der Bevölkerung orientiert. Wie das Hamburger Beispiel zeigt, sind Konflikte um geltendes Wahlrecht immer auch ein Kampf um politische Einflussnahme.
Um eine Änderung des Wahlrechts ging es auch 2010 in einer Entscheidung des Landesverfassungsgerichts Schleswig-Holstein. Es hatte einer Normenkontrollklage gegen das geltende Landeswahlrecht und die Zusammensetzung des Kieler Landtags stattgegeben mit dem Auftrag, dass bis Mai 2011 ein neues Wahlgesetz zu verabschieden und bis 2012 ein neuer Landtag zu wählen sei. Dementsprechend fanden am 6. Mai 2012 Neuwahlen statt.
Unterschiede liegen auch bei der Dauer der Wahlperiode vor. In der Regel finden die Wahlen zu den Landtagen alle fünf Jahre statt, nur die Abgeordneten der Bremer Bürgerschaft müssen sich alle vier Jahre zur Wahl stellen. Alle Landtage können sich im Gegensatz zum Bundestag unter bestimmten Voraussetzungen selbst auflösen. Auch ist die Größe der 16 Landtage sehr unterschiedlich. Die Zahl der Landtagsabgeordneten divergiert zwischen 51 im Saarland und 205 in Bayern.
