徐州市位于华北平原的东南部，域内除中部和东部存在少数丘岗外，大部皆为平原。丘陵海拨一般在100－200米左右，丘陵山地面积约占全市9.4%。丘陵山地分两大群，一群分布于市域中部，山体高低不一，其中贾汪区中部的大洞山为全市最高峰 ，海拔361米；另一群分布于市域东部，最高点为新沂市北部的马陵山，海拔122.9米。平原总地势由西北向东南降低，平均坡度1/7000--1/8000，平原约占土地总面积的90%，海拨一般在30－50米之间。

徐州市地处古淮河的支流沂、沭、泗诸水的下游，以黄河故道为分水岭，形成北部的沂、沭、泗水系和南部的濉、安河水系。境内河流纵横交错，湖沼、水库星罗棋布，废黄河斜穿东西，京杭大运河横贯南北，东有沂、沭诸水及骆马湖，西有夏兴、大沙河及微山湖。

拥有大型水库两座，中型水库5座，小型水库84座，总库容3.31亿立方米，以及众多的桥、函、渠、闸等水利设施，初步形成具有防洪、灌溉、航运、水产等多功能的河、湖、渠、库相连的水网系统。

徐州市属暖温带季风气候区，由于东西狭长，受海洋影响程度有差异，东部属暖温带湿润季风气候，西部为暖温带半湿润气候，受东南季风影响较大。年日照时数为2284至2495小时，日照率52％至57％，年气温14℃，年均无霜期200至220天，年均降水量800至930毫米，雨季降水量占全年的56％。气候资源较为优越，有利于农作物生长。主要气象灾害有旱、涝、风、霜、冻、冰雹等。气候特点是：四季分明，光照充足，雨量适中，雨热同期。四季之中春、秋季短，冬、夏季长，春季天气多变，夏季高温多雨，秋季天高气爽，冬季寒潮频袭。

2016年1月15日，住房和城乡建设部命名徐州市为2015年国家生态园林城市。