Thành phố Sơn La nằm ở vị trí trung tâm của tỉnh Sơn La. Độ cao trung bình so với mặt nước biển từ 700 – 800 m. Tọa độ địa lý từ 21°15’ đến 20°31’ vĩ độ Bắc và từ 103°45’ đến 104°00’ độ kinh Đông. Phía Bắc và phía Tây giáp huyện Thuận Châu; phía đông bắc giáp huyện Mường La; phía đông nam và phía nam giáp huyện Mai Sơn. Thành phố Sơn La có đường quốc lộ  đi qua (Hà Nội – Sơn La – Điện Biên), từ Hà Nội đến trung tâm thành phố Sơn La là 320 km, đoạn qua nội thị thành phố Sơn La dài 15,6km. Thành phố là giao điểm của ba tuyến quốc lộ quan trọng:  Quốc lộ 6, quốc lộ 4G, quốc lộ 279D, tạo sự liên hệ thuận lợi với trung tâm phát triển kinh tế quan trọng: Hà Nội, Phú Thọ, Hòa Bình, là điểm hội tụ của kết cấu hạ tầng kinh tế, đô thị, giao thông đường bộ của tiểu vùng Tây Bắc.

Thành phố Sơn La có 12 đơn vị hành chính gồm 7 phường và 5 xã: Phường Chiềng Lề, Phường Tô Hiệu, Phường Quyết Thắng, Phường Quyết Tâm, Phường Chiềng An, Phường Chiềng Cơi, Phường Chiềng Sinh, Xã Chiềng Cọ, Xã Chiềng Đen, Xã Chiềng Xôm, Xã Chiềng Ngần, Xã Hua La. Dân số 103.820 người với nhiều dân tộc sinh sống. Trong đó, đông nhất là dân tộc Thái, Kinh, Mường, Mông, còn lại là các dân tộc khác.

Thành phố Sơn La có tổng diện tích tự nhiên là 32.351 ha. Nhiệt độ trung bình hàng năm là 21°C; nắng nóng và mưa nhiều từ tháng 4 đến tháng 9, lạnh và khô hanh nhiều từ tháng 10 đến tháng 3 năm sau. Khí hậu so với các huyện khác tương đối ôn hòa. Trên địa bàn thành phố có suối Nậm La dài 25km, ngoài ra còn có nhiều suối nhỏ nằm rải rác ở các xã Hua La, Chiềng Cọ, Chiềng Đen.

Thành phố Sơn La nằm trong vùng tam giác kinh tế trọng điểm của tỉnh (Mai Sơn - thành phố Sơn La - Mường La) là trung tâm chính trị- kinh tế, văn hóa - xã hội và an ninh - quốc phòng của tỉnh, có vai trò và vị trí chiến lược quan trọng về kinh tế - quốc phòng của tỉnh và vùng Tây Bắc.

Theo Địa chí Sơn La xuất bản năm 2020