Sendai nằm ở vị trí 38°16ᐟ05ᐥ Bắc, 140°52ᐟ11ᐥ Đông. Diện tích thành phố là 788,09 km², chạy dài từ Thái Bình Dương đến núi Ou, vốn là những ranh giới Đông - Tây của tỉnh Miyagi. Kết quả là làm cho địa lý của thành phố này thực sự đa dạng. Đồng bằng ở phía Đông, vùng đồi ở giữa và núi ở phía Tây thành phố. Điểm cao nhất của thành phố là Đỉnh Funagata, cao 1500 m so với mặt biển.

Sông Hirose có 45 km chảy qua Sendai. Dòng sông này được coi là biểu tượng của thành phố Sendai, đặc biệt là khi nó xuất hiện trong bài hát Aobajō Koiuta (青葉城恋唄 Thanh Diệp thành luyến bái hay "Tình ca thành Aoba"). Thành Sendai được xây dựng sát con sông, mục đích là sử dụng sông như một đường hào tự nhiên. Con sông này thường xuyên có lũ lụt đến tận thập niên 1950, khi những con đê và đập nước được xây dựng từ năm 1960 đến 1970 đã làm lũ lụt giảm đi rất nhiều. Con sông bây giờ nổi tiếng với nước sạch và cảnh đẹp tự nhiên, đã từng được Bộ Môi trường Nhật Bản bầu chọn là một trong 100 con sông nổi tiếng nhất nước Nhật.

Những ngọn núi ở Sendai là núi lửa ngừng hoạt động, già hơn nhiều ngọn núi lửa nổi tiếng như Zao và Narugo ở thành phố bên cạnh. Tuy nhiên, nhiều suối nước nóng được tìm thấy ở đây.