淡路島の中央部に位置する本市は、本州と四国を結ぶ大動脈である神戸淡路鳴門自動車道が南北を縦断するほか、島内の幹線である国道28号や主要地方道の県道洲本五色線、鳥飼浦洲本線などが地域拠点間を結んでいるなど、交通要衝として重要な地位を占めています。
地形については、中央部の先山(標高448メートル)を中心にした山地が続き、その東側の洲本市街地には平野が広がり、島内でも有数の流域面積を誇る洲本川が大阪湾に注いでいます。また、西側の五色地域にはなだらかな丘陵地帯が広がっており、農業用ため池が点在しています。
市域内には、三熊山や五色浜など、瀬戸内海国立公園の指定地域として、豊かな自然環境が維持されています。