Челябинск расположен почти в центре материка Евразия (1400 км от географического центра), к востоку от Уральского хребта, на 200 км южнее Екатеринбурга. Высота над уровнем моря — ок. 200—250 м. Геологическое расположение: западная часть — Южный Урал (граниты), восточная часть — Западная Сибирь (осадочные горные породы), таким образом город находится на границе Урала и Сибири и имеет неофициальное почётное название «Ворота в Сибирь», на рубеже XIX—XX веков, после строительства Транссиба, многие путешественники покупали открытки на железнодорожной станции Челябинска и отправляли их по всему миру в качестве свидетельства своего пребывания в Сибири. Ленинградский мост соединяет уральский и сибирский берега р. Миасс, таким образом является мостом из Урала в Сибирь. Строго по границе Урала и Сибири проходит автодорога «Меридиан» на участке от пр. Ленина до ул. Механической: проезд по пр. Ленина под виадуком автодороги «Меридиан» является наиболее известной среди жителей города точкой пересечения границы Урала и Сибири.
Город стоит на реке Миасс, в пределах города находится Шершнёвское водохранилище и три озера: Смолино, Синеглазово, Первое. По территории города протекает несколько малых речек, впадающих в Миасс: Игуменка, Колупаевка, Чикинка, Челябка и Чернушка, большинство их пущено по трубам и коллекторам под землёй.
С юго-запада до севера Челябинск подковообразно укутывает Сосновский район. С восточной стороны к Челябинску примыкает город-спутник Копейск. На северо-востоке Челябинск граничит с Красноармейским районом.
