埼玉県の北西部にあり、面積は577.69平方キロメートルで、埼玉県全体の約15%を占めています。
都心まで約60〜80km圏、さいたま市までは50〜70km圏に位置し、周囲に山岳丘陵を眺める盆地を形成しています。
市域の87%は森林で、その面積は埼玉県の森林の約40%を占めています。ほとんどは秩父多摩甲斐国立公園や武甲・西秩父などの県立自然公園の区域に指定されており、自然環境に恵まれた地域です。また、市の中央を流れる荒川は、秩父湖、秩父さくら湖などのダム湖を形成しています。
この川によって市の中心部は東西に区分され、東部の平坦部分は市街地を形成し、商店街、住宅地などが集中しています。西部丘陵地帯にある平坦地は、水田など農業用地が多くなっています。