Город расположен на берегу Одесского залива Чёрного моря. Большая часть города, включая исторический центр, располагается на равнине, возвышающейся над морем примерно на 50 м. Минимальная высота Одессы составляет 4,2 м ниже уровня моря (Куяльницкий лиман), максимальная высота — 65 м. Площадь территории города 236,9 кмІ [уточнить], плотность населения 4251,3 чел./кмІ (по другому источнику: площадь — 163 кмІ[16]; соответственно, плотность населения — 6178,7 чел./кмІ). Источники питьевой воды на территории города в настоящее время — бюветные комплексы, основное снабжение водой Одессы и близлежащих окрестностей осуществляется из реки Днестр по сорокакилометровому водопроводу через водозабор в районе Беляевки[17]. Вблизи города находятся три крупных лимана: Куяльницкий, Хаджибейский и Сухой.

Расстояние до Киева 443 км (655 по железной дороге, 466 по автомобильной дороге).