玉环岛古称地胏山、榴屿、玉瑠山，为避五代吴越王钱镠讳，据“晨雾绕岛，形状如环；上有流水，洁白如玉”景象改名玉环。市以岛而得名。
玉环市位于东经121°05′38″～121°32′29″，北纬28°01′32″～28°19′24″。地处浙江省东南部，台州市东南端，东濒东海，南濒洞头洋与温州市洞头县相连，西、西北隔乐清湾与温州市乐清市相望，北、东北与温岭市接壤。人民政府驻玉城街道东城路6号，电话区号0576，邮政编码317600，距台州市区75千米。
玉环市域总面积2279平方公里，其中陆域378平方公里，海域1901平方公里，下辖3个街道6镇2乡。
地处华南褶皱系华夏褶皱带泰顺——温州断坳区，地势北高南低，丘陵平原相间，山丘面积248平方千米。地形分为海岛丘陵、滩涂冲积小平原。境内岛屿林立，海礁棋布，全境由楚门——玉环半岛及鸡山、披山、洋屿、大鹿、茅埏、横床等55个岛屿组成。玉环本岛面积170平方千米，是浙江省第二大岛。全市最高峰位于楚门半岛北部清港镇的大雷山，系北雁荡山余脉，海拔443米，最低点位于大麦屿街道大岩头前沿水域-104米。
五级河道有玉环湖、九眼塘河、芳清河、楚门河、龙溪河、桐丽河、干江河、青沙河、庆澜河、普竹河、玉坎河等11条，总长81千米。河流总长度765千米，河网密度6.2千米／平方千米，径流总量9230万立方米，年排涝量2021万立方米，年最大排涝量5258万立方米。境内最大的河流为玉环湖，从泗头闸至漩门大坝，流经清港、楚门、芦浦3镇，长22千米，流域面积170平方千米。
境内矿产资源主要有建筑石料、石英、高岭土等。披山洋处于台湾暖流、浙江沿岸流、大陆径流三大水系交汇区，水温适宜，水生生物丰富多样，是鱼、虾、蟹等水产种质资源地，蕴藏着各种鱼类、贝类、水母类等水产品400余种，为省级大黄鱼、梭子蟹水产种质资源保护区。全市海岸线长329千米，绵长曲折，港湾众多，支流小港遍布全市沿海乡村。市境西南的大麦屿港位于温州瓯江口外、乐清湾内，为国家对外开放港区，是全国沿海八大避风锚地之一，可建港口岸线45千米。市境东南的坎门渔港为国家一级渔港，是辽、鲁、江、浙、沪、闽、台等地渔民销售、避风、补给的大型基地和停靠的主要港口。
属亚热带季风气候，兼有明显的海洋性气候。其特点是常年温暖湿润，四季分明，雨量充沛，日照充足，无霜期较长。多年平均气温17.1℃，1月平均气温7.2℃，极端最低气温-4.5℃；7月平均气温27.6℃，极端最高气34.9℃。最低月均气温1.7℃，最高月均气温31.4℃。平均气温年较差19.9℃，最大日较差17.3℃。无霜期年平均302天，最长达322天，最短为281天。年平均日照时数1850.5小时。0℃以上持续期361天。年平均降水量1350.2毫米，年平均降雨日数为154天，最多达186天，最少为122天。极端年最大雨量1844.8毫米，极端年最少雨量859.5毫米。降雨集中在每年3～9月，6月最多。