宮城県の北東端に位置し、東は太平洋に面し、南は宮城県本吉郡南三陸町、西は岩手県一関市及び宮城県登米市、北は岩手県陸前高田市に接しています。
気仙沼市は、北上山系の支脈に囲まれ、そこから流れ出る大川や津谷川などが西から東に向かって流れ、太平洋に注いでいます。
太平洋に面した沿岸域は、半島や複雑な入り江など、変化に富んだリアス式海岸を形成し、気仙沼湾は、湾口に大島を抱き、四季静穏な天然の良港となっています。
このリアス式海岸特有の海岸美により、三陸復興国立公園及び海域公園、並びに南三陸金華山国定公園の指定を受けています。