Город Южно-Сахалинск находится в удалении от морского побережья, примерно на 50 км от западного побережья, 25 км от восточного побережья и Охотского моря и 20 км от Анивского залива, омывающего остров с юга. С восточной стороны Южно-Сахалинск защищён горным массивом. В 15 км к северо-востоку от города возвышается пик Чехова (1 045 м выше уровня моря) — одна из самых высоких вершин Сахалина. В связи с катастрофой Ил-14 в 1976 году печальную известность также получила гора Острая (980 м). По отношению к окружающей территории город находится на равнине в окружении сопок, благодаря чему имеет своеобразный климат, не свойственный прибрежным городам острова. Летом в Южно-Сахалинске может быть очень жарко, а зимой, из-за отсутствия ветра, сильный мороз.
Город Южно-Сахалинск приравнен к районам Крайнего Севера.
Город расположен в сейсмоопасном районе. Достаточно высока вероятность сильных землетрясений. В настоящее время строительство осуществляется с применением специальных технологий, позволяющим зданиям выдерживать землетрясения до 8 баллов по шкале MSK-64.