Челябинск расположен почти в центре материка Евразия, к востоку от Уральского хребта, на большом удалении от морей и океанов, прежде всего от Атлантики.
Климат города умеренный, по общим характеристикам относится к умеренному континентальному (переходный от умеренно-континентального к резко континентальному). Температура воздуха зависит как от влияния поступающих на территорию области воздушных масс, так и от количества получаемой солнечной энергии. 2066 часов в году Солнце светит на территории области, это на 481 час больше, чем над Москвой.
Количество и распределение осадков в течение всего года определяется главным образом прохождением циклонов над территорией области.
В черте города расположены несколько озёр: Смолино, Первое и Второе, Синеглазово и Шершнёвское водохранилище. Через город протекает река Миасс.