東は太平洋に面し、西側は東北の脊梁と言われる奥羽山脈が走り、船形山、泉ヶ岳などの標高1,000m級の山並が連なっています。広瀬川、名取川などの河川があり、多彩な自然景観に恵まれ、都心部にもけやき並木が広がるなど、百万都市でありながら緑豊かで、都市と自然が調和したまち「杜の都・仙台」として知られています。

気候区分は太平洋側気候三陸型気候区に分類され、冬は東北地方としては温暖で、真冬日は稀な地域です。東北地方の県庁所在地の中で最も降雪量が少なく、積雪が一週間以上残存することはほとんどありません。夏は太平洋からの海風の影響で気温はあまり上昇せず、夏日にはなるが真夏日・熱帯夜が少ないのが特徴で、真冬日と真夏日の合計が約20日となっています。これは日本の県庁所在地のなかでは最も少ない日数です。
春、ソメイヨシノが開花するのは4月12日頃で、東京より2週間ほど遅くなります。梅雨入りは6月10日、梅雨明けは7月23日頃です。そのあとも「やませ」と呼ばれる北東風の影響で、「涼しい夏」となったことも幾度となくありました。仙台の街で初雪が見られるのは平年では11月22日頃です。