Grosseto situato in Toscana, capoluogo dell'omonima provincia e principale città della Maremma. È il capoluogo di provincia situato più a sud tra quelli della Toscana e, per superficie territoriale, risulta essere il più vasto comune della regione, nonché il terzo dell'Italia centrale e il nono dell'intero territorio nazionale dopo Roma, Ravenna, Cerignola, Noto, Sassari, Monreale, Gubbio e Foggia.
Dal punto di vista urbanistico, la città è uno dei pochi capoluoghi di provincia (con Ferrara, Bergamo, Lucca), il cui centro storico è rimasto completamente circondato da una cerchia muraria, nell'insieme integra, che ha mantenuto pressoché immutato il proprio aspetto nel corso dei secoli.
La città è posta a circa 12 km dal mare (dove si affacciano le frazioni comunali di Marina di Grosseto e Principina a Mare), al centro di una pianura alluvionale denominata Maremma grossetana, nel punto di confluenza della Valle dell'Ombrone. In passato, gran parte dell'area pianeggiante era occupata dal Lago Prile che si estendeva quasi fino alla parte occidentale della città.
Nella parte nord-orientale del territorio comunale, presso la moderna frazione di Roselle che è sorta nei pressi dell'antica città etrusco-romana, si trova una sorgente termale di acqua sulfurea, della stessa natura e origine che contraddistingue le più rinomate Terme di Saturnia e le altre terme sparse tra il Monte Amiata, l'Area del Tufo e le Colline dell'Albegna e del Fiora.
Nella parte orientale e meridionale del territorio comunale scorre il fiume Ombrone, che con il suo corso prima costeggia la frazione comunale di Istia d'Ombrone e poi si avvicina in alcuni punti alla città con alcune sue anse che precedono la foce situata all'interno del Parco Naturale della Maremma, poco a sud di Principina a Mare.
La parte occidentale del territorio comunale è compresa nella Riserva naturale Diaccia Botrona, area palustre che si estende dove sorgeva l'antico Lago Prile, mentre l'area sud-occidentale rientra nel Parco naturale della Maremma, dove si estende l'area palustre della Trappola e si elevano le prime propaggini dei Monti dell'Uccellina a sud della foce dell'Ombrone.
Nel territorio comunale sono incluse anche le Formiche di Grosseto, nel cuore del Parco Nazionale dell'Arcipelago Toscano; gli isolotti e l'intero tratto di mare che bagna il litorale grossetano rientrano anche nell'area marina protetta europea del Santuario dei Cetacei.
Il clima della città di Grosseto è mitigato dalla vicinanza del mare e presenta estati calde ma costantemente ventilate dalla brezza marina di ponente ed inverni non particolarmente freddi.