Thị xã Kinh Môn nằm ở phía đông bắc tỉnh Hải Dương, cách thành phố Hải Dương 33 km và cách thủ đô Hà Nội 91 km về phía đông bắc, có vị trí địa lý:

• Phía đông giáp huyện Thủy Nguyên, thành phố Hải Phòng
• Phía tây giáp huyện Nam Sách và thành phố Chí Linh
• Phía nam giáp huyện An Dương, thành phố Hải Phòng và huyện Kim Thành
• Phía bắc giáp thị xã Đông Triều, tỉnh Quảng Ninh.

Kinh Môn là thị xã nằm vùng bán sơn địa, được bao bọc xung quanh và chia cắt bởi nhiều con sông lớn thuộc hệ thống sông Thái Bình như: sông Kinh Thầy, sông Đá Vách, sông Kinh Môn bao quanh và các con sông nhỏ như: sông Đò Than, sông Nguyễn Luân... Do đó việc giao thông đi lại với các địa phương trong và ngoài thị xã được kết nối bằng rất nhiều cây cầu lớn như: cầu An Thái (phường Long Xuyên), cầu Đá Vách, Hoàng Thạch (phường Minh Tân), hai cầu đang xây dựng là cầu Triều (phường Thất Hùng) và cầu Tuần Mây (xã Thăng Long)... và nhiều bến phà, đò ngang như: đò Vải (xã Lê Ninh), đò Trạm (xã Bạch Đằng), đò Nống (phường Hiến Thành)...

Địa hình có dãy núi Kinh Môn chạy dọc thị xã kéo dài từ các xã Quang Thành, Lê Ninh đến phường An Lưu, và khu vực đồi núi thuộc 5 phường phía Bắc sông Kinh Thầy. Điển hình với một số điểm cao của địa hình: núi Sấu cao 111 mét (giữa hai xã Quang Thành và Lê Ninh), núi Vu cao 191 mét (giữa hai xã Lạc Long và Lê Ninh), núi Ngang cao 143 mét (phường Tân Dân), núi Thần cao 155 (phường Phú Thứ) và đỉnh núi cao nhất thị xã là núi An Phụ cao 244 mét (phường An Sinh).

Khí hậu nhiệt đới gió mùa với lượng mưa trung bình 1400 - 1600 mm thuộc loại trung bình dưới so cùng các khu vực khác ở trung du và đồng bằng Bắc Bộ. Mùa mưa từ tháng 5 đến tháng 9 với tổng lượng mưa đạt gần 80% lượng mưa cả năm. Nhiệt độ trung bình năm đạt 23,2 độ C.