仙台市は、東の境界を太平洋（仙台湾）、北の境界を松島丘陵、西の境界を奥羽山脈、 南の境界を名取川流域として、宮城県をほぼ帯状に横断する形状となっている。海岸から長町−利府線断層帯までが地質的には新しい沖積平野、 その西が沖積平野より少し古い堆積岩類の台地であり、奥羽山脈の稜線近くは新生代に噴出した火山岩で出来ている。船形山、大東岳、 神室岳などはいずれも50万年から150万年前に噴火した火山である。
仙台市は奥羽山脈を挟んで山形県山形市と接している。都道府県庁所在地同士が隣接する例は、 仙台市と山形市の他、京都市と大津市、福岡市と佐賀市となっている（ただし、 仙台市と山形市を直接結ぶ交通手段はJR仙山線面白山トンネルと未舗装の二口峠のみで、その他は両市以外を経由しなければならない）。また、 仙台の北東には日本三景の松島（松島町）がある。
* 山：青葉山、船形山、白髪山、面白山、泉ヶ岳、大東岳、
太白山、日和山など
o 仙台市役所は、
市内の野生ニホンザルの頭数を約550匹とみている。
* 川：広瀬川、名取川、七北田川、梅田川など
* 沼：五色沼、長沼、大沼など