Thành phố Vĩnh Yên có diện tích tự nhiên là 50,81 km2, chiếm 4,1% diện tích tự nhiên của tỉnh Vĩnh Phúc; có 09 đơn vị hành chính cấp xã, trong đó có 07 phường (Tích Sơn, Liên Bảo, Hội Hợp, Đống Đa, Ngô Quyền, Đồng Tâm và Khai Quang) và 02 xã (Định Trung và Thanh Trù).
Thành phố nằm trong tọa độ địa lý từ 105032’54” đến 105o38’19” Kinh độ Đông và từ 21015’19” đến 21020’19” Vĩ độ Bắc.
- Phía Bắc và phía Tây giáp huyện Tam Dương. - Phía Đông giáp huyện Bình Xuyên.
- Phía Nam giáp huyện Yên Lạc và huyện Bình Xuyên.
Thành phố Vĩnh Yên nằm cách Thủ đô Hà Nội hơn 50 km về hướng Tây Bắc theo quốc lộ 2, cách Thành phố Việt Trì (Phú Thọ) khoảng 25 km về hướng Đông, cách cảng hàng không quốc tế Nội Bài 20 km, cách Tuyên Quang 50 km về phía Nam và cách khu du lịch Tam Đảo 25 km về phía Đông Nam.
Lợi thế của thành phố là nằm trong chùm các đô thị đang phát triển, là nơi tập trung các đầu mối giao thông như quốc lộ số 2 (nối với các tỉnh Phú Thọ, Tuyên Quang, Hà Giang) và tuyến đường sắt Hà Nội - Vĩnh Yên; là cầu nối giữa vùng Trung du và miền núi phía Bắc với thủ đô Hà Nội. Những năm gần đây, sự hình thành và phát triển các tuyến hành lang kinh tế quốc tế và quốc gia liên quan đến Vĩnh Phúc đã làm cho thành phố Vĩnh Yên có điều kiện mở rộng mối liên kết kinh tế với các trung tâm kinh tế, các khu công nghiệp và những thành phố lớn như: hành lang kinh tế Côn Minh - Lào Cai - Hà Nội - Hải Phòng, Việt Trì - Hà Giang - Trung Quốc. Vì vậy vai trò quan trọng của thành phố Vĩnh Yên trong vùng Thủ đô Hà Nội và Vùng kinh tế trọng điểm Bắc Bộ ngày càng được nâng lên.
b. Địa hình, địa mạo
Thành phố Vĩnh Yên có địa hình vùng đồi thấp, thoải, độ cao từ 9m đến 30m so với mặt nước biển. Khu vực có địa hình thấp nhất là Hồ Đầm Vạc. Địa hình có độ dốc từ Đông Bắc xuống Tây Nam và được chia thành 2 vùng:
- Vùng đồi thấp: Tập trung ở phía Bắc thành phố gồm xã Định Trung và phường Khai Quang, độ cao trung bình 26 m so với mặt nước biển, với
nhiều quả đồi không liên tục xen kẽ ruộng và các khe lạch, thấp dần xuống phía Tây Nam.
- Khu vực đồng bằng và đầm lầy: Thuộc phía Tây, Tây Nam thành phố gồm có xã Thanh Trù, phường Đồng Tâm và phường Hội Hợp. Đây là khu vực có địa hình bằng phẳng, độ cao trung bình 7,0 - 8,0m xen kẽ là các ao, hồ, đầm có mặt nước lớn.
c. Khí hậu
Thành phố Vĩnh Yên là vùng chuyển tiếp giữa đồng bằng và miền núi, nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa, khí hậu được chia làm 4 mùa: xuân, hạ, thu, đông. Mùa xuân và thu là hai mùa chuyển tiếp, khí hậu ôn hoà, mùa hạ nóng và mùa đông lạnh.
- Nhiệt độ: Nhiệt độ trung bình năm khoảng 24OC, mùa hè 29-34OC, mùa đông dưới 18OC, có ngày dưới 10OC.
- Nắng: Số giờ nắng trung bình 1.630 giờ/năm, số giờ nắng giữa các tháng có sự chênh lệch nhau rất nhiều.
- Độ ẩm: Độ ẩm trung bình 82,5%/năm.
d. Thủy văn
Chế độ thủy văn của thành phố phụ thuộc vào lưu vực của các sông: sông Cà Lồ, sông Phó Đáy và sông Phan; mật độ sông ngòi thấp trên địa bàn thành phố thấp. Tuy nhiên trên địa bàn thành phố lại nhiều hồ ao với diện tích trên 460 ha, trong đó lòng Đầm Vạc khoảng 176 ha là nguồn dự trữ và điều tiết nước quan trọng của thành phố.
e. Thực trạng môi trường
- Môi trường không khí của thành phố nhìn chung là trong lành, nhiều chỉ tiêu thấp hơn tiêu chuẩn cho phép. Tuy nhiên khu vực ô nhiễm chỉ là cục bộ, có tính thời gian trong xây dựng các khu đô thị, khu công nghiệp và một số làng nghề trên địa bàn, có tác động xấu đối với sức khoẻ con người, ảnh
hưởng xấu đến các hệ sinh thái và gây biến đổi khí hậu. Tốc độ công nghiệp hoá mạnh và việc đô thị hoá nhanh càng làm tăng thêm các nguồn gây ô nhiễm môi trường không khí.
- Môi trường nước mặt của thành phố Vĩnh Yên tập trung chủ yếu ở hồ Đầm Vạc và lưu vực các sông cũng đã bị ô nhiễm.
- Môi trường đất hiện nay đang bị tác động mạnh và có chiều hướng suy giảm, nguyên nhân chủ yếu từ các hoạt động sản xuất nông nghiệp, sử dụng không hợp lý thuốc bảo vệ thực vật (BVTV) và hoạt động công nghiệp dịch vụ.