Город находится на равнинной территории в центре Марийской низменности, в 50 км к северу от Волги, на южной границе таёжной зоны в районе смешанных лесов.
Географические координаты
Йошкар-Олы 
56°37′56.76″
с. ш. 47°53′42.96″ в. д. (G) (O) (за
основу взят главпочтампт).
Муниципальное образование «Город Йошкар-Ола» находится в центре Республики Марий Эл и в 862 км к востоку от Москвы. Географическое расположение столицы Марий Эл своеобразно и необычно: город со всех сторон окружён землями Медведевского района. С севера к городу подступают заливные луга в пойме реки Большая Ошла и частично сельхозугодья и леса, с запада и северо-запада — сельхозугодья, а на юго-востоке, юге, юго-западе города расположены крупные лесные массивы. Населённые пункты, расположенные вблизи Кокшайского тракта, окружены лесами Государственного лесного фонда.
Умеренно-континентальный климат с длинной холодной зимой и тёплым летом. Средняя температура летом: +18…+20 °C. Самая жаркая погода — в середине июля. Воздух прогревается до +34…+38 °C. Осенью погода холодная и влажная с преобладанием сильных пронизывающих ветров и дождей. Возможны ранние заморозки и снег. Ноябрь — самый ветреный месяц. Зима, как правило, начинается в ноябре. Средняя температура зимы: −18… −19 °C. Самый холодный месяц — январь. Весна в целом прохладная и сухая.
Вид Йошкар-Олы из космоса
Высота города над уровнем моря около 100 метров, рельеф характеризуется как равнинный, с общим уклоном в сторону поймы реки Малая Кокшага, в пределах города перепады высот небольшие (порядка 5 метров).
Через город протекает река Малая Кокшага, в черте города река подпружена с образованием водохранилища. Город делится рекой на две примерно равные части, при этом Кокшага, благодаря своей небольшой ширине, а также наличию трех автомобильных мостов, не представляет серьёзного препятствия для движения внутригородского транспорта.
Пойма реки Малая Кокшага затапливается паводками. Русло её в пределах городской застройки регулируется двумя водоподъёмными плотинами — в районе речного водозабора и на южной окраине городского округа юго-восточнее центрального моста. Водная система имеет площадь зеркала порядка 125 га. Ширина поймы в пределах города меняется от 1,5 до 2,5 км. В настоящее время практически вся береговая линия реки Малая Кокшага спланирована и укреплена посадками древесной и кустарниковой растительности. На настоящий момент ведутся работы по укреплению берегов и созданию каменной набережной.
Территория Йошкар-Олы вместе с отнесёнными к ней сельскими населёнными пунктами составляет 101,45 кв. км, в том числе непосредственно земли под городскими строениями — 56 кв. км, остальное — пахотные земли, городские леса, сенокосы и пастбища, садовые и дачные кооперативы.
Город Йошкар-Ола не только почти со всех сторон окружён зелёными лесами, но и имеет довольно развитые «лёгкие». Городскиепарки, скверы и другие зелёные насаждения занимают более 1414,6 га, из них 604 га — городские леса, для которых введён статусособо охраняемых природных территорий. Большой комплекс городских лесов дополняются водоохранными зонами рек, водоёмов,лесозащитными полосами вдоль автомобильных и железных дорог и т. д. Уровень обеспеченности населения города зелёными насаждениями составляет 9,3 кв. м/чел.[1] Йошкар-Ола традиционно считается одним из самых «зелёных» городов России.
На территории Йошкар-Олы имеются следующие особо охраняемые природные территории:
Ботанический сад Марийского государственного технического университета (функционирует с 1939 года), являющийся федеральной особо охраняемой природной территорией. Природоохранный режим — заказной с заповедными участками местных и интродуцированных растений. Площадь сада — 72,77 га, коллекция — более 4100 таксонов. Природа ботанического сада — это фрагмент биогеоценоза зонально-регионального характера, ценный памятник природы в границах города.
Сосновая роща расположена в восточной части города Йошкар-Олы в лесопарковой зоне и примыкает непосредственно к юго-восточным кварталам заречной части города. Её площадь около 402 га, что составляет 50,2 % от общей площади городских лесов. Самую большую ценность представляют 22 экземпляра вековых сосен. Эти крупномерные сосны-долгожители, средний возраст которых 170 лет, украшают лесопарковый ландшафт своей монументальностью.
Дубовая роща находится в пойме реки Малая Кокшага и представляет собой небольшой уголок южной тайги в черте города. Её площадь около 149 га. Даже изменённая человеком, роща имеет большую ценность. В настоящее время в Дубовой роще осталось мало дубов, которые охраняются на территории данного памятника природы; большую ценность представляют посадкилиственницы сибирской, ореха маньчжурского, тополя берлинского.
Экологическая ситуация в различных районах города неоднородна и зависит от двух основных факторов: выбросов от стационарных источников загрязнения и автотранспорта. Основной проблемой, связанной с загрязнением атмосферного воздуха промышленными предприятиями, является неблагоприятное размещение селитебной зоны по отношению к основному промышленному району. Так, например, южная и центральная части города, где расположены основные предприятия города и наблюдается высокая концентрация автотранспорта, характеризуются повышенным уровнем загрязнения атмосферы.
Выбросы загрязняющих веществ в атмосферный воздух от стационарных источников 340 предприятий города в 2007 году составили 43,08 тыс. тонн.
На территории города сложилась неудовлетворительная обстановка по качеству воды в реке Малая Кокшага. Качество вод реки изменяется от «умеренно-загрязнённых» (3 класс, в верхнем течении) до «грязных» (5 класс, ниже сброса очистных сооружений г. Йошкар-Олы), «загрязнённых» (4 класс), и «грязных» (5 класс) в устьевом участке. Неудовлетворительное качество воды в реках города связано с выпусками промышленных и коммунальных сточных вод, недостаточной эффективностью существующих городских очистных сооружений, невыполнением ограничений на хозяйственную деятельность в пределах водоохранных зон. Однако за последние годы качество питьевой воды удалось заметно улучшить: по результатам мониторинга (1997—2007 гг.), отклонения от требований СанПиН «Питьевая вода» по химическим и микробиологическим показателям понизились с 6,6 % до 1,5 % от отработанных проб.
Остро стоит проблема загрязнения окружающей среды города отходами производства и потребления.