Город расположен на восточном склоне Уральских гор, по берегам реки Исеть, на которой в пределах города образованы 4 пруда — Верх-Исетский, Городской, Парковый и Нижне-Исетский. Также в черте города находятся четыре естественных озера: на востоке — Шарташ и Малый Шарташ, на северо-западе — Шувакиш, на западе — Здохня. В лесопарковой зоне Верх-Исетского района города проходит граница между Европой и Азией.