Olsztyn to stolica województwa warmińsko-mazurskiego, zlokalizowana w środkowej jego części. Leży w południowej części Warmii, krainy historycznej, która w latach 1466-1772 należała do Rzeczypospolitej.
Miasto sąsiaduje z sześcioma gminami: Dywity, Barczewo, Purda, Stawiguda, Gietrzwałd oraz Jonkowo. Wszystkie one należą do ziemskiego powiatu olsztyńskiego, którego siedziba znajduje się w Olsztynie.
Od południa miasto graniczy z Puszczą Napiwodzko-Ramucką. Lasy zajmują ponad 21 proc. jego powierzchni, a główną ich składową jest rozległy Las Miejski.

Główną rzeką przepływającą – z południa na północ – przez Olsztyn jest Łyna. Bierze ona początek z obfitych źródeł na wysokości 153 m n.p.m., a w Olsztynie toczy swe wody na poziomie 98 m n.p.m. Oprócz niej w granicach miasta płyną także jej dopływy: Wadąg i Kortówka.
Na terenie Olsztyna leży 11 jezior. Olsztynianie korzystają także z walorów rekreacyjnych akwenów położonych blisko granic miasta, takich jak Wadąg, Bartążek czy Kielarskie.

Najwyższy punkt Olsztyna leży na wysokości 155 m n.p.n, a najniższy na 88 m n.p.m. Klimat miasta określany jest jako umiarkowany ciepły. Ma cechy klimatu pojeziernego z niskimi temperaturami, częstymi wczesnymi i późnymi przymrozkami oraz z silnymi wiatrami. Opady w ciągu roku osiągają poziom 600 mm. Średnia temperatura lipca wynosi ok. 18 st. C, a stycznia ok. -4 st. C.

Największe miasto Warmii i Mazur leży na terenie mezoregionu fizjograficznego Pojezierza Olsztyńskiego, które wchodzi w skład makroregionu Pojezierza Mazurskiego. Ten zaś jest częścią podprowincji Pojezierzy Wschodniobałtyckich, należącej do prowincji Niżu Wschodniobałtycko-Białoruskiego.
Pojezierze Olsztyńskie zajmuje powierzchnię ok. 3820 km kw. Od północy sąsiaduje z Równiną Ornecką, Wzniesieniami Górowskimi i Równiną Sępopolską, od wschodu – z Pojezierzem Mrągowskim, od południa – z Równiną Mazurską i Garbem Lubawskim, od zachodu – z Pojezierzem Iławskim.