Szatmárnémeti Románia észak-nyugati szögletében, a Szamos folyó völyében, 126 m-es tengerszint feletti magasságon fekszik (47˚47’-es északi széles- ségen, 22˚52’-es keleti hosszúságon).
Elhelyezkedése révén a magyar és az ukrán határ felől is könnyen megközelíthető, határ-városnak számít. Magyarország (Csengersima) felé közúti személy- és teherforgalom számára,Ukrajna (D’jakovo - Nevetlenfalu) felé vasúti teherforgalom számára van határátkelő. A környező nagyvárosokkal jelentős forgalmat lebonyolító országutak kötik össze (Nagyvárad, Nagybánya, Zilah) Másik fontos megközelíthetőségi lehetőség Szatmárnémeti nemzetközi repülőtere.
A város települési viszonyait tekintve Szatmárnémeti a Szamos valamikori árterében fekszik, a folyó mindkét partján. A ma már töltések közé szorított folyó valamikor a mai város területének nagy részét uralta, ezért a környék tájképét ma is a felhagyott folyómedrek, feltöltött holtágak, természetes hordalékgátak jellemzik.
A mai domborzat kialakulásában legfontosabb tényező a Tisza folyó mai völgyének kialakulása volt. A negyedkorszaki eljegesedés során és után az Alföldön fokozatosan fejlődő folyórendszer keleti fő ága, az ős-Tisza valamikor a város közelében folyt dél-nyugat felé, majd kb. 25-30ezer évvel ezelőtt a tektonikai mozgások következtében fokozatosan elfoglalta ma ismert folyás-irányát. Ez a mellékfolyók, így a Szamos lefutását is befolyásolta, a beregi térség besüllyedése észak-keleti irányt eredményezett a Szamos folyó esetében is. A felhagyott süppedékekben ma is vizenyős területeket (Ecsedi láp, Bátorliget) találunk. Az Alföld e részének fokozatos feltöltődése következtében pannon majd pleisztocén lösz, homok, agyag, kavics-üledékek találhatók több száz méter mélységig. Ennek megfelelően Szatmárnémeti altalajában is megtalálható az Alföld legfontosabb altalajkincse, a termálvíz. A lokális vízbőség savanyú, enyhén podzolos talajok kialakulását eredményezte.
Szatmárnémeti éghajlata a mérsékelt szárazföldi éghajlat tipikus képét mutatja. A Kelet-alföld többi településéhez képest Szatmárnémeti átlag-hőmérséklete valamivel alacsonyabb, 9,6 C˚, az alábbi évszakonkénti bontásban:
tavasz 10,2 C˚nyár 19,6 C˚
ősz 10,8 C˚
tél -1,7 C˚
A légnedvesség viszonylag magas (az alföld egyéb területeihez viszonyítva), az uralkodó szélirány az észak-nyugati. A felszíni vizeket a Szamoson kívül az északi részen folyó Sár patak és a délen folyó Homoród patak jelenti.
Szatmárnémeti kialakulását és fejlődését nagy mértékben befolyásolta a Szamos folyó. Az emberi település kialakítására alkalmas élettéren kívül fontos gazdasági szerepet is kölcsönzött a városnak (Évszázadokon keresztül Szatmár vára – amit szintén a Szamos tett bevehetetlenné Evilja Cselebi szerint – volt a Szamoson Erdély felől leúsztatott só átrakásának központja. Neve is inen ered a Salz Markt magyarosodott Szatmárrá, majd lett szintén fonetikusan Satu Mare).
A Szamos síksága Szatmár környékén a feltöltődő síkságok tipikus képét mutatja: holtágak és meanderek sokasága a folyó mindkét partján (1777 előtt a város környékén 39 ilyen meander és holtág volt. Az 1777-ben kezdett szabályozás után ez a szám 14-re csökkent, a folyó hossza a váron belül 36,5 km). Ekkor a hajdani Németi és Szatmár városok között (nagyjából a mai Zárda-templom, Vörösmarty utca vonalában) folyt. A mai meder kialakítása a XIX. századi mederrendezések eredménye. Az 1970-es katasztrofális árvíz után újra megerősített mai töltések hossza 17,3 km a jobb parton és 11 km a bal parton.
Szatmárnémeti környékének természetes növény- és állatvilága az ártéri tárulások és az erdős sztyepp elemeit vonultatja fel.