Erfurt liegt am Südrand des Thüringer Beckens, im weiten Tal der Gera, eines Zuflusses der Unstrut. Im Süden wird das Stadtgebiet von den bewaldeten Höhen des Steigerwalds umgrenzt. Die größte Ausdehnung des Stadtgebiets beträgt von Nord nach Süd 21 km und von Ost nach West 22,4 km. Durch die Lage der Stadt im Übergang vom Thüringer Becken zum Vorland des Thüringer Waldes schwankt die Höhenlage im Stadtgebiet zwischen 158 m über NN im Norden und 430 m über NN im Südosten.[2] Das Stadtgebiet wird zu verschiedenen Flüssen hin entwässert: die Nesse entwässert die westlichen Ortsteile zur Weser hin, während Gera und Gramme die Mitte und den Osten der Stadt zur Elbe hin entwässern.

Nachbarstädte sind Weimar im Osten, Gotha im Westen, Arnstadt im Süden und Sömmerda im Norden, jeweils etwa 20 Kilometer von Erfurt entfernt. Die nächsten Großstädte sind Leipzig (95 Kilometer nordöstlich), Halle (85 Kilometer nordöstlich), Jena (40 Kilometer östlich), Kassel (110 Kilometer nordwestlich), Göttingen (95 Kilometer nordwestlich), Frankfurt am Main (180 Kilometer südwestlich) und Nürnberg (160 Kilometer südlich, Entfernungen in Luftlinie). Da Erfurt nur etwa 50 Kilometer südöstlich des Mittelpunkts Deutschlands liegt, ist es die zentralste Großstadt des Landes. Die Stadt besitzt wie die meisten ostdeutschen Großstädte keinen besonders ausgeprägten Vorortgürtel und liegt auch nicht in einem Ballungsraum. Allerdings sind die Verflechtungen zu den großen Nachbarstädten Weimar und Jena in vielen Bereichen eng, was auch in verschiedenen Regionalkooperationen Ausdruck findet. Ein Begriff für Städte wie Erfurt, die kein Zentrum einer Metropolregion sind, aber auch mehr Funktionen als ein normales Oberzentrum haben, ist der der Regiopole.

Die noch heute relativ dichte Bebauung der Innenstadt kann darauf zurückgeführt werden, dass in Erfurt im Zweiten Weltkrieg vergleichsweise wenige Gebäude zerstört wurden und diese Baulücken – im Gegensatz zu vielen anderen Großstädten – meist wieder bebaut wurden. Die Naherholungsgebiete befinden sich daher in Erfurt fast ausschließlich am Stadtrand, wie z. B. der Steigerwald, der Nordstrand oder der ega-Park. Neben dem Steigerwald gibt es zwei weitere Wälder im Stadtgebiet, den Willroder Forst im Südosten bei Windischholzhausen und die Wälder im Schaderoder Grund oberhalb von Tiefthal im Nordwesten. Die übrige unbebaute Fläche dient vor allem der Landwirtschaft, da auf den fruchtbaren Böden ertragreicher Ackerbau betrieben werden kann. Die einzigen größeren Wasserflächen sind die Erfurter Seen, eine Reihe gefluteter Kiesgruben bei Stotternheim im Norden der Stadt.