A város az Olt folyó teraszain és a Somlyó-patak kavicsos hordalékkúpjainak a peremén fekszik az 1033 m magas Nagy Somlyó lábánál. Tengerszint feletti magassága 655 és 730 m között váltakozik.
A város határában megtalálhatók a földtörténeti középkor üledékes kőzetei, a neogénkori vulkáni kőzetek, túlnyomórészt andezitfélék és fiatalabb folyami-tavi medenceüledékek. Az utóvulkanikus tevékenység a szénsavas ásványvizek (borvizek) és mofetták (széndioxidos és kénhidrogénes gázkiömlések) formájában jelentkezik. A város legfontosabb ásványvíz-lelőhelyei Somlyón, a Szeredai- és Zsögödfürdőn vannak. E két utóbbi már a középkor óta - mind a mai napig - közkedvelt fürdőtelep, az utóbbinál mofetta is várja a vendégeket. A várostól 19 km-re, 1350 m magasságon található, közigazgatásilag Csíkszeredához tartozó, jótékony hatásáról híres ásványvizes, mofettás klimatikus üdülőhely, Hargitafürdő, a megye legmagasabban fekvő települése.
Csíkszereda hűvös éghajlata alapján a Kárpát- medence egyik hidegpólusa. A medence zártsága miatt télen gyakori a hőmérsékleti inverzió és a velejáró ködképződés. Ilyenkor alacsonyabb hőmérsékleti értékeket mérnek a városban, mint a hegytetőkön. Ez az egyik oka annak, hogy Csíkszereda évi középhőmérséklete csupán 5,9°C. A nyári hónapoké 16°C, a télieké -5,9°C. A legmelegebbet, 35,5°C-t 1953-ban, a leghidegebbet, -40°C-t 1977-ben mérték. A medencejelleg talán egyetlen kedvező hatása a viszonylagos szélvédettség. Az esztendő 58,5%-ban szélcsend van. Az átlagos csapadékmennyiség 589 mm. A legcsapadékosabb hónap július, a legszárazabb február. A hótakaró 27-124 napig takarja a felszínt.
A várost főként fenyőerdő övezi. A lombhullató fák fokozatosan kiszorultak a medence peremvidékéről is. Kivételt a Somlyó-hegy képez, amelyet bükk- és vegyes erdő borít. A városhoz tartozó erdős és legelős területeken számos védett növényfaj fordul elő. A város körüli erdők faunája is igen gazdag. Különös jelentőségű a nagyvadállomány. A védett fajok közé tartoznak a barna medve, a hiúz, a siketfajd és mások.