Au sud de la Lorraine, à proximité de la Belgique, du Luxembourg, de l'Allemagne et de la Suisse, Épinal bénéficie d'une situation privilégiée au cœur de l'Europe. Épinal est située à 380km à l'est de Paris, 60km au sud de Nancy, 135km au sud-ouest de Strasbourg et 81km au nord-ouest de Mulhouse.
Épinal est traversée par la Moselle. La ville se trouve dans un couloir creusé par cette dernière dans les couches de grès vosgien reposant sur le soubassement granitique du massif des Vosges. Le granite clair porphyroïde affleure au fond de la vallée de la Moselle. La largeur de la vallée est d'environ 750 m.
La ville est entourée de plateaux plus ou moins arrondis avec une pente relativement marquée notamment sur la rive droite. La pente est parfois échancrée par des vallées secondaires comme la rue Saint-Michel et le faubourg d'Ambrail au nord. L'altitude au niveau de la Moselle au centre de la ville est de 324 m. À l'ouest (rive gauche), les plateaux s'élèvent jusqu'à une altitude de 360 à 440 m et pour l'est (rive droite), ils atteignent une altitude de 360 à 470 m. La vallée de la Moselle s'élargit rapidement après
Le cadre est verdoyant, les forêts de résineux et de hêtres des plateaux sont visibles du centre-ville.
