Localizada na encosta inferior da Serra dos Tapes em uma planície a 7 metros do nível do mar, na Encosta do Sudeste, às margens do canal São Gonçalo, que liga as lagoas dos Patos e Mirim. A 249 km da capital do estado, Pelotas apresenta duas paisagens naturais e humanas distintas: a serrana, mais elevada e ondulada, e a paisagem de planície, baixa e plana. A primeira corresponde à policultura e à colonização alemã, e a segunda à orizicultura, com composição étnica variada. A altitude na área rural chega a 450 metros, no distrito de Quilombo.
O município possui uma flora diversificada, que abrange desde formações florestais (eucaliptos, pinheiros, ciprestes, álamos e plátanos) até formações campestres, com vegetação rasteira e herbácea (pampa) e litorâneas, além de vegetação típica dos banhados.
O sistema hídrico de Pelotas é formado pelo Arroio Pelotas, Canal São Gonçalo e Lagoa dos Patos, a maior lagoa de água doce do mundo e com enorme potencial econômico e turístico. O Canal São Gonçalo é navegavél em toda a sua extensão e se constitui como ligação entre as lagoas dos Patos e Mirim. Esta última é um importante reservatório de água doce, localizada no extremo sul do Rio Grande do Sul, a exemplo da Lagoa Mangueira. Pelotas faz parte da bacia hidrográfica do rio Camaquã.
Pelotas situa-se na confluência das rodovias BR 116, BR 392, BR471, que juntas fazem a ligação aos países do Mercosul e a todas as capitais e portos do Brasil.
Clima: subtropical, com inverno fresco e verão suave. A forte influência marítima, devida a proximidade com o Oceano Atlântico, se manifesta na temperatura amena e na elevada umidade atmosférica com formação de nuvens e densos nevoeiros de maio a agosto. O mês mais quente é janeiro, com temperatura média de 23,3°C, e o mês mais frio é julho, com média de 12,2°C. O mês mais chuvoso é fevereiro, com 144mm de precipitação. A temperatura média anual é de 17,6°C e precipitação média anual é de 1200mm, com chuvas regularmente distribuídas durante todo o ano. A umidade relativa do ar é bastante elevada (com média anual de cerca de 85%). Há um dito popular de que Pelotas é a segunda cidade mais úmida do mundo, atrás apenas de Londres na Inglaterra.