도치기 현의 거의 중부, 간토 평야의 북단에 위치하고 수도 도쿄로 부터 북쪽으로 약 105km 떨어진 곳에 있고 고도는 시 중심부가 약 100m이다. 남부에는 평탄한 토지가 펼쳐져있고, 동부에는 기누 강, 중앙부를 기누 강 지류의 하나인 다가와 강, 서부를 오모이가와 강의 지류의 스가타가와 강이 흐른다. 또 중심 시가지에는 가마가와 강, 신카와 강이 흐른다.
토지는 기누 강이 흐르는 시 동남부 지역이 가장 낮고 북서부를 향해서 서서히 높아지고 있으며 그 전에는 고가지 산·다키 산·구라카케 산 등 작은 산들이 늘어서 있다.
우쓰노미야 시가지는 이 북서부 산계로부터 이어지는 도마쓰리 산, 하치만 산, 후타라 산이 정확히 종단한다. 뒤쪽으로 북부의 산계가 있고 평지의 앞으로 다가와 강 등의 수계가 있는 전형적인 "천연 요새"이고 이러한 지리적 이점을 이용해 세워진 우쓰노미야 성의 조
서안 해양성 기후나 온난 습윤 기후를 볼 수 있는 도난 지방의 일부 연안 지역을 제외하면 거의 전역이 냉대 습윤 기후이 다. 여름과 겨울의 온도차가 크고 겨울에 눈이 내리면 굳어져서 잘 녹지 않는다. 도내 전역이 폭설 지대이고 일부 지역은 특별 폭설 지대로 지정되어 있다. 도호쿠, 도토는 추위가 매우 심하고 연안부를 제외한 거의 전역이 가장 추운 달의 평균 기온이 영하 8도 이하이고 영하 20도 이하까지 내려가는 일이 많다.
