Площадь территории города — 710 км². Город стоит на степной равнине. Рельеф территории города представляет собой низкие надпойменные террасы.

Гидрографическая сеть города представлена единственной рекой Ишим и её незначительными правыми притоками, проходящими по землям города — Сарыбулак и Акбулак. В радиусе 25-30 км вокруг Астаны имеются многочисленные пресные и солёные озера.

Климат города резко-континентальный. В связи с не очень благоприятным для человека расположением посреди склонной к засушливости и сильным ветрам степи, осуществляется масштабный проект по размещению вокруг города зелёной «стены»-полосы с деревьями и другими крупными зелёными насаждениями.