Географические координаты Донецка — 48° северной широты и 37° 48′ восточной долготы. Часовой пояс — UTC+2, с переходом на летнее время UTC+3. Общая площадь Донецка — 358 км². Протяженность города с севера на юг 23 км. Протяженность с востока на запад — 55 км. Вместе с близлежащими городами Донецк входит в состав Донецкой агломерации. Город находится в центральной части Донбасса к югу от Донецкого кряжа. Донецк расположен в степной зоне, в верховьях реки Кальмиус и окружен небольшими лесами, холмами, реками и озёрами.
На расстоянии 95 км к югу от Донецка находится Азовское море.
В Донецке 2 водохранилища — Нижнекальмиусское водохранилище (62+38 га, расположено на реке Кальмиус) и Донецкое море (138 га).
Через город протекает 4 реки: Кальмиус, Асмоловка (13 км), Черепашкина (Бахмутка) (23 км), Скоморошка.
В Донецке насыпано 125 терриконов.