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.
무로마치 시대에는 오시마 반도의 남단에 야마토인이 도난 12관을 축조해 거주지(야마토지)를 마련했다. 전란을 피해 이주하는 사람이 증가하면서 현지의 아이누와의 사이에 대립이 일어났다. 그 결과 1457년에 일어난 코샤마인 봉기로 다케다 노부히로가 아이누의 지도자 코샤마인을 죽여 야마토의 승리를 결정했다. 노부히로는 가키자키 씨를 계승했고 그 자손은 후에 마쓰마에 씨를 자칭해 대대로 에조치의 남부에 지배권을 구축했다(마쓰마에 번).
마쓰마에 번의 경제 기반은 아이누와의 교역에 있었다. 아즈치모모야마 시대부터 에도 시대에 걸쳐 마쓰마에 씨는 쇼군으로부터 교역 독점권을 인정받아 아이누와의 교역 조건을 스스로에게 유리한 것으로 바꾸어 나갔다. 아이누는 샤크샤인의 난이나 쿠나시르·메나시 봉기와 같은 반란을 일으켰지만 마쓰마에 번에 의해서 진압되었다. 1784년부터는 에조치의 개척을 시작해 연안에 몇 개의 이주지가 건설되었다.
