千葉県の中央部（ほぼ中西部）に位置し、中心市街地は東京都の都心と成田国際空港の中間地点（約25 - 35キロメートル）である。
地形は、臨海部および各河川下流域に広がる関東平野の平地とその周辺部は下総台地の台地・谷津から構成される。郊外や臨海部を中心に大規模な住宅団地が多くある一方、若葉区、緑区には豊かな自然環境と住宅地が共存している。かつての海岸線は現在の国道14号・国道357号・国道16号をなぞる線にほぼ等しく、遠浅の海が広がっていたが高度経済成長期以降の大規模な海面埋立により、新たに広大な土地が誕生した。美浜区のほぼ全域および中央区の一部がこれに該当する。現在の海岸線は中央区部分ではほぼ工業施設または港湾で占められている一方、美浜区部分には長大な人工海浜（いなげの浜、検見川の浜、幕張の浜）も造成されている。美浜区全域、中央区と花見川区の一部を除いて標高20メートル以上の台地に位置しており、緑区土気町など標高90メートル以上に位置する地域も存在する。なお最高地点は緑区板倉町の標高103.6メートル、最低地点は美浜区豊砂の標高0.7メートルである。 地域によって気候は異なるが、一般には夏季はそれほど猛暑にはならず、冬季も若葉区や緑区など内陸部を除き暖かくて温和な太平洋側気候である。年平均気温は、過ごしやすい16.2度である。 千葉特別地域気象観測所（旧千葉測候所）の観測によると、1月の平均気温は6.1℃、最低気温は2.4℃と高く、沿岸部は東京湾からの風や高い水温の影響で冬日になることは少なく、過去最低気温（1966年4月 - ）は-5.2℃（1967年2月13日）とかなり高い。一方、若葉区、緑区などの内陸部は風が弱く、放射冷却により冬日になりやすく氷点下まで冷え込むこともある。そのため中央区の港湾部に立地し都市部特有のヒートアイランドによる影響も強い千葉特別地域気象観測所の観測気温と内陸部の気温とでは大きく異なることがある。実際に千葉特別地域気象観測所では2016年（平成28年）1月24日から25日にかけての寒波の時、南西諸島や伊豆諸島、小笠原諸島などの島嶼部を除いた全国の観測地（気象官署・アメダス）の中で唯一、冬日を観測しなかった。 8月の平均気温は27.1℃、最低気温は24.3℃であり、共に千葉県内の気象観測地点の中では高めの傾向にある。これは、ヒートアイランドの影響に加え、沿岸部の埋立地に立地する千葉特別地域気象観測所は東京湾から吹き付ける湿度の高い熱風の影響で夜になっても気温が下がりにくいからである。そのため、東京湾沿岸地域の日中は海のない内陸県のような猛暑（35℃以上）とはなりにくいものの、夜は蒸し暑くなりやすい。過去最高気温は38.5℃（2015年8月7日）である。 冬季、南関東を南岸低気圧が通過する場合、千葉市付近は暖気と寒気の境界線となりやすく、県内北西部（東葛・葛南地域）や東京・横浜が大雪の場合でも県内南部（君津・木更津地域）などでは雨や霙となり、それほどの積雪量にならない場合も多く、年間平均降雪量も7センチメートルと東京（8センチ）や横浜（9センチメートル）に及ばない。しかし、寒気の引き込みが強い場合は、標高が100メートル前後と高く気温が低い地区（緑区土気周辺など）で降雪量が多くなりやすく、毎年10センチメートル前後の積雪となるのも珍しくない。過去に1951年（昭和26年）2月14日から15日にかけての関東平野部（1都6県）では記録的大雪を観測しており、南岸低気圧の影響で内陸部の白井（現・若葉区野呂町）で133センチメートル、市街地に近い仁戸名（現・中央区仁戸名町）で91センチメートル、市街地の都（現・中央区都町）で80センチ[12] の積雪となったことがあるなど、低気圧の進路や寒冷渦の影響などによっては稀に雪の積雪量が多くなることがある。市街地を流れる葭川 千葉市中央区中央港（千葉特別地域気象観測所、標高3m）の気候
気候
月1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月年
最高気温記録 °C （°F）20.7
(69.3)24.7
(76.5)25.3
(77.5)28.7
(83.7)32.2
(90)36.4
(97.5)37.8
(100)38.5
(101.3)36.2
(97.2)32.8
(91)27.5
(81.5)24.3
(75.7)38.5
(101.3)
平均最高気温 °C （°F）10.1
(50.2)10.7
(51.3)13.8
(56.8)18.7
(65.7)23.0
(73.4)25.6
(78.1)29.4
(84.9)31.0
(87.8)27.5
(81.5)22.3
(72.1)17.3
(63.1)12.5
(54.5)20.2
(68.4)
日平均気温 °C （°F）6.1
(43)6.6
(43.9)9.6
(49.3)14.5
(58.1)18.9
(66)21.9
(71.4)25.7
(78.3)27.1
(80.8)23.8
(74.8)18.6
(65.5)13.4
(56.1)8.6
(47.5)16.2
(61.2)
平均最低気温 °C （°F）2.4
(36.3)2.8
(37)5.7
(42.3)10.6
(51.1)15.4
(59.7)19.0
(66.2)23.0
(73.4)24.3
(75.7)21.0
