расположен на берегу реки Тобол, в окружении обширных степей. На карте его можно найти в северной части Тургайского плато, представляющего собой возвышенную равнину, раскинувшуюся между отрогами Южного Урала и степями центрального Казахстана.
Костанай располагается в зоне континентального климата с жарким летом и холодной зимой. В декабре-феврале температура воздуха часто опускается до –18...–14 °С. Зимние холода уходят в начале апреля, к маю воздух прогревается до +15...+17 °С, а в июне-августе – до +20...+25 °С.
Рекордные температурные показатели, зафиксированные в Костанае, составили от –47,8 °С (февраль 1951 г.) до +41 °С (июнь 1988 г.).