Safranbolu, Karadeniz Bölgesi’nde bulunmakta olup, il merkezine 8 km ve denize 65 km mesafededir. İlçe, Karabük (Merkez, Ovacık ve Eflani), Bartın (Ulus) ve Kastamonu (Araç) şehirleriyle komşudur. Yüzölçümü 1.013 km² olan ve büyük kısmı ormanlarla kaplı şehir, coğrafi olarak engebeli bir alandadır. Şehrin en düşük rakımı 300 metre, en yüksek rakımı 1.750 metre olan Sarı Çiçek Tepesi’ndedir. Şehir merkezinde en düşük nokta yaklaşık 400 metre, en yüksek nokta ise 600 metre civarındadır ve ortalama yükseklik 500 metrendir.
İlçeden geçen başlıca akarsullardan Araç Çayı, Soğanlı Çayı ve Ovacuma Deresi’nin yanı sıra su hacmi düşük olan ve büyük kanyonlar meydana getiren birçok küçük dere mevcuttur. Derin ve dar kanyonların yakınında, büyük mağaralar ve dağ yamaçlarındaki mağara girişlerinden fışkıran yüksek debili sular mevcuttur. Tokatlı (Gümüş), Akçasu ve Bulak dereleri, şehirden geçerek Araç Çayı’na katılan üç ayrı kanyon meydana getirirler. Araç Çayı, Soğanlı Çayı ile buluşur ve Filyos Çayı’ndan Karadeniz’e gider.
Safranbolu’da Uluyayla ile Sarıçiçek adında iki yayla bulunmaktadır. Şehre 50 kilometre mesafede, 280 hektar alan kaplayan ve 7 kilometre uzunluğundaki Uluyayla’nın merkezinde bir gölet ile içindeki yer altı nehrine sahip bir mağara bulunmaktadır. Safranbolu’ya 8 kilometre mesafedeki Sarıçiçek yaylasında kamp ve dağcılık etkinlikleri gerçekleştirilmektedir. Şehirde ayrıca mağaralar ve kanyonlar mevcuttur. Sakaralan (Yacı) Kanyonu Kanyonlar grubundan geçilmiş ve Safranbolu Turizm ile Doğaseverlere kazandırılmıştır. Uzunluğu 2.725 m olan Bulak (Mencilis) Mağarası’nın iki girişi mevcuttur ve 350 metrelik bölümü aydınlatılmıştır.
Yatay bir şekilde gelişmiş olan fosil Hızar Mağarası’nın geniş bir girişi bulunmaktadır. Ağzıkara Mağarası, sarkıtları ve dikitleri ile öne çıkmaktadır. Konarı Köyü’ndeki Yarasa İni ve Karabük’teki 100 Yıl Mahallesi’nde yer alan 100 Yıl Mağarası, Sepeleoloji Derneği’nin ölçümlemeleri tamamlandıktan sonra, 1000 metrelik girilebilir ve gezilebilir alanıyla hizmete açılacaktır. 100 Yıl Mahallesi’ndeki Su batan ve Çıkan bölgesi, doğal bir oluşum olarak ilgi alanları arasında yer almaktadır.
Safranbolu, Karadeniz ile İç Anadolu Bölgesi iklimleri arasında yer alarak yazları sıcak, kışları soğuk, baharları ise ılık ve serin bir iklime sahiptir. İlkbahar ve sonbahar epeyce uzundur. Son yıllarda yaz mevsimleri özellikle kurak geçmeye başlamıştır; yağışlar bahar, sonbahar ve kış dönemlerinde gerçekleşmektedir. Yıllık yağış miktarı ortalama 500 civarında olup çevresinde ormanlar mevcuttur. Bu sebeple bölgeler arasında sıcaklık farkları bulunmaktadır. Çarşı bölümü vadilerin yamaçlarında yer alır, daha sıcak ve rüzgârsız olan kısım kış döneminde kullanılır ve daha az kar yağışı görülür. Yüksek noktalarda yer alan Bağlar bölgesi, rüzgâra maruz kalır, yazları serin, kışları ise karla kaplıdır; bu yüzden yazlık olarak tercih edilir.