余姚市位于浙江省宁绍平原，东经120至121度，北纬29至30度，中心地理坐标为东经121°09′、北纬30°30′。地处长江三角洲南翼，东与宁波市江北区、鄞州区相邻，南枕四明山，与奉化、嵊州接壤，西连绍兴市上虞区，北毗慈溪市，西北于钱塘江、杭州湾中心线与海盐县交界。
余姚属浙东盆地山区和浙北平原交叉地区，地势南高北低，中间微陷。南部为四明山区，山峦起伏，散布大小不等的盆地、谷地，最高峰芦山乡青虎湾岗，海拔979米；中部姚江平原，有弧山残丘，点缀两岸；北部为滨海冲积平原。总面积1501平方公里，其中山地、丘陵805.09平方公里，占52.73%，平原432.51平方公里，占28.33%，水域289.26平方公里，占18.94%。余姚耕地64.35万亩，园地9.84万亩，林地72.15万亩。主要河流姚江，源于境内四明山夏家岭，自西向东流经中部，汇入宁波市甬江出海，全长109公里，境内流长54公里，支流30余条，纵横交错，织成水网。并有众多湖塘水库。
余姚地处亚热带南缘，属季风型气候。四季分明，冬夏稍长，春秋略短，平均年日照总时数2061小时。年平均气温16.2℃，7月份最高，平均28.3℃，1月最低，平均4.1℃。历史极端最高气温42.2℃（2013年8月6日），最低-9.8℃（1977年1月31日）。雨量充沛，年平均隆水量1547毫米，由于海陆位置和地形影响，降水分布自东南向西北减少，降水主要集中在4—10月，占年降水的70%以上。冬季盛行西北到北风，夏季盛行东到东南风，全年以东风为主，年平均风速每秒2-3米。夏秋间多台风和热带风暴，冬季四明山区有积雪。境内灾害性气候以水、旱、风、潮为主。
余姚北部全境为杭州湾主流隐蔽区，潮汛属不规则半日潮，历年平均潮位2.1米，历史最高潮位5.33米，最低潮位-0.55米，海水潮位低，含沙量高而变幅大，杭州湾为中国潮差最大的海湾，湾顶潮差9.8米，余姚海域年平均潮差：黄家埠2.5米、小曹娥3米。