Omsk trải dài dọc theo hai bờ sông Irtysh chảy về phía bắc tại hợp lưu của nó với sông Om nhỏ hơn. Thành phố có độ cao 87 mét trên mực nước biển ở điểm cao nhất của nó.

Omsk là một trung tâm đường sắt quan trọng, và là điểm giao nhau cho chi nhánh phía Bắc và phía Nam của tuyến đường sắt Trans-Siberian. Thành phố này cũng phục vụ như một trung tâm chính của mạng lưới đường cao tốc khu vực. Cảng sông phục vụ cả hành khách và hàng hóa, cho phép truy cập thành phố đến đường thủy mở rộng của các con sông Irtysh và Ob. Các tuyến đường thủy kết nối Omsk than và các thị trấn khai thác khoáng sản ở thượng lưu sông ở Kazakhstan, cũng như với dầu và khí thiên nhiên, và hoạt động khai thác gỗ phía bắc Siberia. Omsk được phục vụ bởi sân bay Tsentralny với các tuyến bay trong nước và quốc tế (chủ yếu là Đức và Kazakhstan), làm cho thành phố là một trung tâm hàng không quan trọng đối với Siberia và Viễn Đông Nga.

Omsk có khí hậu khô và lục địa, đặc trưng bởi các biến động đáng kể của thời tiết. Nhiệt độ trung bình hàng ngày, được chụp trong vòng ba thập kỷ qua, là +20 °C (68 °F) cho tháng Bảy và -17 °C (1 °F), mặc dù nhiệt độ có thể đạt tới 45 °C (113 °F) trong mùa hè và giảm xuống -45 °C (-49 °F) vào mùa đông. Trung bình, Omsk thấy hơn 300 ngày nắng trong bất cứ năm nào. Lượng mưa trung bình hàng năm là 315 mm (12,4 in).