本市は、長野県の北東部に位置し、北は飯山市、木島平村、南は小布施町、高山村、東は山ノ内町、西は長野市、信濃町、飯綱町の2市、4町、2村に接しています。
　市役所の位置は、東経138度22分、北緯36度44分、標高367ｍにあります。また、県都長野市からは、長野電鉄で長野駅から信州中野駅まで、JR飯山線で長野駅から替佐駅まで、それぞれ約30分程度で結ばれています。
　市の東西は約11キロメートル、南北約16キロメートルで、南北に長く、面積は112.18平方キロメートルとなっています。

　高社山は、独立してそびえる美しい山で、「たかやしろ」と呼び親しまれ、古くから信仰の対象にもなっています。その裾野を夜間瀬川が「十三崖」を形成して北へ流れ、千曲川に注いでいます。中野扇状地の南には延徳沖低地が続き、さらに西南の善光寺平に連なっています。
　また、斑尾山は、手のひらを広げたような5つの尾根からなっており、この間に4つの谷と多くの沢をもち、地勢は起伏に富み複雑で、これらの水を集めた班川は、斑尾川と合流し、千曲川に注いでいます。
　東方には、上信越高原国立公園志賀高原が望まれ、西方には北信五岳が一望できる景勝に恵まれた地となっています。

　さらに、市内には上信越自動車道信州中野インターチェンジと豊田飯山インターチェンジの２つのインターチェンジがあり、高速交通網の整備により産業経済圏域やレジャー圏域が拡大し、北信州の中心都市として重要な位置を占めています。

　本市の過去30年間の年平均気温は11.8度、年間平均降水量は約890ミリメートルとなっており、全国平均の約1,700ミリメートルより少なくなっています。市域の大部分は、気温の年間差が大きく、冬期はマイナス10度以下にまで下がり、夏期は30度以上にまで上がる内陸性気候となっていますが、地域によってかなりの違いがみられ、北部は、雪の多い日本海側の気候の特色を示しています。積雪量は、南北での差が大きく、集落地でも多い所では2メートルを超すところがあります。

　昼夜の気温差が大きく、降水量が比較的少ないことは、果樹栽培に適した気候となっています。