Thị xã Bỉm Sơn có vị trí địa lý:

• Phía bắc giáp thành phố Tam Điệp, tỉnh Ninh Bình
• Phía đông giáp huyện Yên Mô, tỉnh Ninh Bình và xã Hà Vinh, huyện Hà Trung, tỉnh Thanh Hóa
• Phía nam giáp các xã Hoạt Giang, Yên Dương, huyện Hà Trung
• Phía tây giáp các xã Hà Bắc, Hà Long, huyện Hà Trung.

Thị xã Bỉm Sơn nằm ở toạ độ 20°18’ – 20°20’ vĩ độ Bắc và 105°55’ – 106°05’ kinh độ Đông, Bỉm Sơn cách thủ đô Hà Nội 120 km về phía nam, cách thành phố Thanh Hóa 34 km về phía bắc, nằm trên mạng lưới giao thông vận tải thuận lợi với tuyến đường sắt Bắc - Nam, quốc lộ 1A chạy qua, tạo nên mối giao thương rộng lớn với các tỉnh trong vùng và các trung tâm kinh tế lớn của cả nước. Theo cổng thông tin điện tử tỉnh Thanh Hóa, đến thời điểm 2018, dân số Bỉm Sơn có 100.820 người[cần dẫn nguồn]

Địa hình

Bỉm Sơn là vùng đất thấp dần từ Tây sang Đông. Tuy diện tích không rộng nhưng Bỉm Sơn vừa có vùng đồng bằng, vùng núi đá, vùng đồi và sông suối.

• Vùng đồi núi có diện tích 50,97 km², chiếm 76,3%.
• Vùng đồng bằng có diện tích 15,19 km², chiếm 23,7%

Khí hậu

• Nhiệt độ trung bình hằng năm là 23,60 độ C.
• Lượng mưa trung bình đạt 1.514 mm/năm;
• Độ ẩm không khí trung bình 80%.

Tài nguyên thiên nhiên

Tài nguyên đất

Thị xã Bỉm Sơn có 2 nhóm đất chính là đất phù sa, đất xám Feralit, cụ thể:

1. Đất phù sa: 999,22 ha, trong đó:
   1. Đất phù sa chua Glây nặng: nằm 6 vùng địa hình thấp trũng; diện tích: 126,26 ha, phân bố tập trung ở phường Đông Sơn và xã Quang Trung, phù hợp với phát triển trồng lúa nước, nuôi trồng thuỷ sản.
   2. Đất phù sa biến đổi Glây nặng diện tích: 872,96 ha, phân bố ở các địa hình vàn, vàn cao, thuận lợi cho việc trồng lúa, màu và cây công nghiệp hàng năm, khả năng tăng vụ khá cao.
2. Diện tích đất xám: 4.193,93 ha, gồm các loại:
   1. Đất xám Feralit đá lẫn nông 3.535,86 ha.
   2. Đất xám Feralit đá lẫn sâu 658,07 ha. Độ dày tầng đất khá thuận lợi cho cây công nghiệp dài ngày, ngắn ngày phát triển.

Tài nguyên khoáng sản

Bỉm Sơn có khoáng sản chủ yếu là đá vôi, đá sét. Trong đó:

• Đá vôi mỏ Yên Duyên: 3.000 triệu tấn, diện tích phân bố: 1000 ha;
• Đá phiến sét mỏ Cổ Đam, trữ lượng 60 triệu tấn, diện tích phân bố: 200 ha;
• Sét xi măng (mỏ Tam Diên) trữ lượng 240 triệu tấn, diện tích phân bố: 200 ha;
• Đất san lấp (Thung Cớn) trữ lượng: 3,5 triệu tấn, diện tích: 100 ha;
• Hai mỏ sét để sản xuất gạch ngói tại phường Đông Sơn trữ lượng 19 triệu tấn, diện tích 30 ha.[cần dẫn nguồn]

Tài nguyên nước

Hệ hống sông ngòi, ao, hồ của Bỉm Sơn, sông suối ngắn và nhỏ nguồn nước mặt nghèo nàn biến động thất thường theo mùa: mùa mưa ngập úng, mùa khô thiếu nước.

Các suối: suối Sòng, Chín Giếng, Cổ Đam, khe Gỗ, 3 voi, Khe cạn đều đổ ra sông Hoạt, qua kênh Tam Điệp.

Tổng lưu lượng nước về mùa lũ: 1.685.000 m3/ngày đêm, về mùa kiệt: 9.513m3/ngày đêm.

Nước ngầm khá phong phú, do địa hình đá vôi, Bỉm Sơn có nhiều hang động, sông suối ngầm có thể cung cấp nước cho cả thị xã, kết quả thăm dò 56 km² khu vực thị xã Bỉm Sơn (đoàn địa chất 47) được hội đồng trữ lượng nước quốc gia thông qua khẳng định: Khu vực nước Bỉm Sơn có trữ lượng nước ngầm thuộc cấp A + B = 41.300m3/ngày, đêm.[cần dẫn nguồn]

Tài nguyên rừng

Rừng Bỉm Sơn chủ yếu là rừng trồng, thực vật tự nhiên trên núi đá chủ yếu là cây lùm bụi, cây gỗ mọc rải rác không có trữ lượng, diện tích: 1.141,57 ha.[cần dẫn nguồn]

Động vật rừng nghèo nàn, chủ yếu là một vài loài bò sát và chồn, cáo trên núi đá.