治州相连，西南与青海省民和回族土族自治县隔湟水相望，西、西北与武威市交接，北与白银市为邻，东北与白银市相接。[36]截至2024年，全市总面积13085.6平方千米。
兰州市属温带半干旱气候，其特点是日照充足，光能富裕；气候差异明显；降水量少，地域差异大；灾害性天气多，干旱尤为严重；雨热同季，四季分明，[36]夏无酷暑，冬无严寒。[11]年平均气温10.9℃。[204]极端最低气温-21.7℃（1964年1月27日），极端最高气温39.8℃（2000年7月24日）。[36]年平均日照时数为2374小时无霜期为172天，年平均降水量为300毫米左右。[204]降雨集中在每年7-9月，8月最多。
兰州市地表大部分被第四纪松散沉积物所覆盖，基岩主要出露在南部、西部和北部边界一带的山区。境内出露的地层有前古生界、古生界、中生界和新生界等。其中出露面积最广的是中生界下白垩统河口群、新生界第三系红层和第四系黄土等。
前古生界主要出露在兰州市东南部、南部、西南部边界一带，组成祁连山东延余脉的马衔山、兴隆山、甘青交界的界山、奖俊埠岭以及七道梁的潜山等，其岩性为一套变质岩系。