Челябинск расположен на восточном склоне Уральских гор, на 201 км южнее Екатеринбурга. Высота над уровнем моря — ок. 200—250 м. Геологическое расположение — западная часть — Урал (граниты), восточная часть — Западная Сибирь (осадочные породы), таким образом город находится на границе Урала и 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, территорию города омывают 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 землей. Рельеф города слабо холмистый на западе с постепенным понижением к востоку и «разрезается» долиной р. Миасс и ложбинами с озёрами и болотами. Берега Миасса покрыты местами лесом и кустарником [22]. Климат — континентальный.

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.

Челябинск является одним из крупнейших транспортных узлов РФ: город расположен на перекрёстке автомобильных и железных дорог, связывающих Сибирь с европейской частью России и Урал — с Казахстаном. В Челябинске находится Управление Южно-Уральской железной дороги.

Для авиационных перевозок используется аэропорт, который с 1994 года приобрёл статус международного.

Пригородный транспорт представлен автобусами, отправляющимися с Северного автовокзала, который в 2011 году был перенесен в здание дворца спорта «Юность», а также с пригородной автостанции возле Областной больницы, и железнодорожным транспортом — в основном, электричками (на территории города находится свыше 20 пассажирских станций и платформ, самая крупная станция — Челябинск-Главный, имеющая 2 вокзальных здания: Пригородный и Главный, отправляющая ежегодно 5,6 млн пассажиров.

Развит внутригородской общественный транспорт: автобус (c 1925), трамвай (с 1932), троллейбус (с 1942). Стоимость проезда в трамвае и троллейбусе — 10 рублей, в автобусе — 12 рублей (по состоянию на ноябрь 2011 года). Также для пассажиров муниципального транспорта доступны социальная и транспортная карты, с помощью которых доступны скидки на проезд в общественном транспорте. В городе функционирует большое количество маршрутных такси, стоимость проезда 15-20 рублей (по состоянию на ноябрь 2011 года).