동쪽과 서쪽 및 북쪽은 바다에 면하고, 남쪽은 한라산 정상을 사이에 두고 서귀포시와 접한다. 육지와의 거리는 완도 78㎞, 목포 154㎞, 부산 302㎞이다. 2006년 7월 1일 북제주군을 통합하면서 19개동, 4개읍, 3개면이 되었고, 시청소재지는 이도2동이다.

수리적으로 동경 126˚25'~126˚39', 북위 33˚17'~33˚32'에 위치하며, 북쪽은 제주해협을 사이에 두고 한반도와 마주한다. 예로부터 제주도의 관문이면서 육로·해로·공로의 교통 요충지인 동시에 제주도민의 행정·교육·문화·상업의 중심지이다. 제주도 지역개발과 더불어 인구가 지속적으로 증가하고 있고, 이를 수용하기 위한 도시개발도 활발하다.

제주시 남부는 한라산 북사면이 단계적으로 낮아지는 모양이며, 남쪽 한라산의 연봉인 흙붉은오름[土赤岳:1,391m]·물장올(932m)·어승생오름[御乘生岳:1,169m] 등이 있고, 분수령이 동서로 뻗어 있어 하천은 대개 북류하는데, 도심지를 관통하는 한천(漢川)·산지천(山地川)·병문천(倂門川)·별도천(別刀川) 등 11개 하천이 있으나, 그 길이는 9㎞에도 미치지 못한다.

시가지는 200m 이하의 북부해안 중앙부에 집중해 있고, 나머지는 경작지 또는 광활한 초원이다. 면적은 서귀포시와 더불어 전국에서 가장 넓은 면적을 차지한다.

기후는 온화한 해양성 기후이며, 연평균기온 15.5℃, 1월 평균기온 5.6℃, 8월 평균기온 26.5℃이고, 연평균강수량은 1,457.㎜이다(평년값 기준).