能代市は、秋田県北西部に位置し、東は北秋田市・上小阿仁村、西は日本海、南は三種町、北は八峰町・藤里町に接しています。また県都秋田市には６０キロメートル～８０キロメートルの圏内にあります。

東北地方を縦断する奥羽山脈に源を発する１級河川米代川が市域の中央を東西に流れ日本海に注ぎます。下流部には能代平野が広がり、その両側は、広大な台地が広がり大部分が農地として活用されています。また東南部は、房住山を主体になだらかな丘陵地となっています。西部は、日本海に沿って南北に砂丘が連なり、湖沼が点在しています。

気候は、四季の移り変わりが明瞭です。対馬暖流の影響により、年間の平均気温は１０度前後と温暖ですが、冬は低温で日本海側特有の北西の強い季節風が吹き、降雪日数は平均７０日程度あります。

面積は４２６．９５０平方キロメートル（東西約３０キロメートル、南北約３５キロメートル）で、秋田県の面積の３．７％を占めています。地目別では、山林・原野が２５．７％（約１１０平方キロメートル）、農用地が２０．０％（約８５平方キロメートル）で、宅地は４．１％（約１７平方キロメートル）となっています（平成３０年１月１日現在、平成３０年版「能代市の統計」から）。
※面積は国土地理院が電子国土基本図から直接計測する方法に変更したことにより平成２６年１０月１日付けで修正
（公式Webより引用）