Расположен в долине Туймаада на левом берегу реки Лены, в среднем её течении. Находится несколько севернее параллели 62 градуса северной широты, вследствие чего в летнее время наблюдается длительный период «белых ночей», а зимой (в декабре) — светлое время суток длится всего 3-4 часа. Площадь — 122 км². Самый крупный город на планете Земля, расположенный в зоне многолетней мерзлоты.

Четвёртый город Дальневосточного федерального округа по численности населения (после Хабаровска, Владивостока и Улан-Удэ).

Единственный из крупных городов России с населением более 300 000 человек, который не имеет круглогодичного наземного сообщения с федеральной дорожной сетью.

Расстояние до Москвы по автомобильным дорогам общего пользования единственным возможным по состоянию на 2023 год маршрутом через Тынду и Читу составляет около 8400 км, из них 8 километров — паром через реку Лену. После открытия проезда через Усть-Кут расстояние сократится до 7000 километров. Расстояние до Москвы воздушным путём — 4884 км.