시의 사방이 청원군으로 둘러싸여 있으며 동쪽으로는 괴산군, 서쪽으로 조치원읍, 남쪽으로 영동군·보은군, 북쪽으로 진천군과 연결된다.
시의 동쪽 배후지를 형성하고 있는 산지는 노령산맥의 지맥으로 괴산군 좌구산(座龜山:667m)에서 분기하였으며, 상당산성(上黨山城)·선도산(仙到山)·선두산(先頭山)·관봉(冠峰)·태봉(胎峰)의 순으로 솟아 있다. 시의 서쪽은 파랑상(波浪狀)의 구릉지가 잇따르고 있는 준평원이며 충청북도 최대의 곡창지대인 미호평야가 펼쳐져 있다.
시가지를 동서로 양분하는 무심천(無心川)은 청원군 낭성면의 국절봉(546m)에서 발원하여 남서류하다가 남일면에서 급한 곡류를 이루어 북쪽으로 흐름을 변경하여 시가지를 지나 북서쪽 청원군과의 경계 부근에서 미호천과 합류한다. 그 때문에 무심천의 흐름을 중심으로 남북으로 길게 발달한 청주평야는 대부분 범람원으로 비옥한 충적평야이다.
대부분의 평지는 시가지화하였고 농경지로는 남쪽의 대머리평야, 무심천 하류지역의 오창평야와, 미호천 왼쪽 연안의 신대평야 등이 남아 있다. 산록도시로서 아름답고 깨끗하며 조용한 도시일 뿐만 아니라 충청북도 제일의 곡창지대인 미호평야를 옆에 끼고 있어 농산물이 풍부한 도시이다.
사계절이 뚜렷한 온대 대륙성기후로 내륙부에 위치하고 있어 한서의 차가 크다. 겨울은 춥고 길며 여름은 고온다우(高溫多雨) 현상을 나타내고 있으나 때로는 극심한 가뭄이 계속되어 농작물에 큰 피해를 주기도 한다. 연평균 기온은 11.6℃, 1월 평균기온 0.4℃, 8월 평균기온 25.2℃이고 강수량은 1,216mm이다.