경상북도 동남부의 동해안에 위치해 있으며 동쪽은 동해, 서쪽은 영천시, 남쪽은 경주시, 북쪽은 영덕군과 청송군에 접한다. 전체면적은 1127.74㎢이며 총인구가 507,757명에(2007년 6월 30일 기준) 이르고 2구 4읍 10면 19동 522통 5770반이있다. 시청 소재지는 대잠동이다.
시의 북서부 지역은 태백산맥의 남단에 해당되어 고도가 높고 기복이 심하다. 수석봉, 면봉산, 자초산, 구암산, 동대산 등이 북쪽 경계를 이루며, 이 밖에도 향도봉, 장구재, 호학산, 비학산 등 높은 산들이 곳곳에 솟아있다. 하천은 시의 중앙을 동서로 가로지르는 형산강이 남쪽에서 북류해온 오천과 합류해 영일만에 유입하면서 넓은 충적평야인 영일평야를 형성하고 있다. 북쪽의 곡강천은 신광분지, 흥해분지를 형성한뒤 동해로 흘러들며, 남쪽에서는 냉천이 북류해 영일만에 흘러든다. 해안선은 비교적 굴곡이 적고 단조로운 편이나 해안선을 따라 해안단구가 발달해 있다.