哈密市位于新疆东部、哈密地区南部,是新疆通往内地的门户,是古"丝绸之路"上的重镇。东部与甘肃省酒泉市相邻,西部与昌吉回族自治州的木垒县和吐鲁番地区的鄯善县毗邻,南部与巴音郭楞蒙古自治州的若羌县接壤,北接天山与伊吾县、巴里坤县为邻,东北部与蒙古国有46公里边界。最西在七角井以西东经91°06′33"处,最南为嘎顺戈壁的白龙山附近北纬40°52′47"。
哈密位于欧亚大陆腹地中纬度地区。由于天山山脉位于该地区的中部,山脉的南北两侧大多是沙漠和戈壁,哈密市的大部分地区主要位于哈密盆地。哈密是典型的温带大陆性干旱气候,昼夜温差大。民间有一句谚语:“早穿皮夹克,中午穿纱线,晚上围炉吃西瓜”。在山区以外的市辖区内,年最高日较差为26.7℃,年极端最高气温为43.9℃,年极端最低气温为-32℃。