Стара Загора е разположена в равно Загоре — Старозагорското поле — източната част на Горнотракийската низина, заключена между Сърнена Средна гора, Светиилийските възвишения, Манастирските възвишения, Сакар планина и Чирпанските възвишения със средна надморска височина 137 метра, край река Бедечка. Намира се на 231 км по шосе и 250 км по ЖП линия от София. Климатът на градската територия е преходноконтинентален с полъх от Средиземно море. В района виреят рядко срещаните в България екзотични дървесни видове магнолия, кедър, смокиня, лавър (дафиново дърво), нар, бадем, райска ябълка, кипарис. Средната годишна температура е 12,5°C (средна януарска 1,0° и средна юлска 24,0°C) със средна валежна сума 650 мм. Северопазадно от Стара Загора са Старозагорски минерални бани, а северно от града има друг минерален извор в село Ягода.