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
