Türkiye’nin iki denize komşu 6 ilinden biri olan Kocaeli, güneyde Marmara Denizi, kuzeyde ise Karadeniz ile güçlü bir ilişkiye sahiptir. 30 derece doğu meridyeninin Köseköy’den geçiyor oluşu da Kocaeli’nin konumunun önemine işaret eden etmenlerdendir.

Sakarya Nehri’nin batısından başlayıp Pamukova ve İznik Gölü’nün kuzeyindeki Bozburun’a uzanan Samanlı Dağları İzmit, Sapanca ve Adapazarı’nı kapsayan çöküntü alanına hakimdir. Bu dağların 1602 metredeki en yüksek noktası Kartepe Kayak Merkezi’ne ev sahipliği yapar. Dikmen Dağı, Naldöken Dağı, Naz Dağı ve Çene Dağı ilin diğer dağlarıdır.

İzmit Körfezi ve Sapanca Gölü gibi tektonik çöküntüler, Karadeniz gibi çanaklaşmalar ve deniz yüzeyindeki değişimler Kocaeli Yarımadası’nın bugünkü biçimini oluşturmuştur. İki denize dokunan şehir, çok sayıda küçük dere vadisine sahiptir. Şehrin Karadeniz’e dökülen akarsuları daha uzundur. Kocaeli topraklarında doğan Riva Deresi ve Ağva Deresi İstanbul’da Karadeniz’e dökülürken, Kocaeli sınırları içerisinde Karadeniz’e dökülen başlıca akarsu Sarısu Deresi’dir. Samanlı Dağları’ndan doğan Kirazdere ise İzmit Körfezi’nde Marmara Denizi ile buluşur.

Kocaeli’nin batı bölümünde yer alan Sapanca Gölü’nün 7 km’si Kocaeli’ye dahildir ve Uzuntarla, Maşukiye ve Eşme’ye sınırdır. İzmit’e su sağlayan Kirazdere Barajı ve Yuvacık Barajı’nın ardındaki yapay göller kentin önemli su kaynaklarıdır. Gebze, Kandıra, Kartepe ve Körfez ilçeleri ilin sayısı 23’ü bulan mağaralarına ev sahipliği yapmaktadır.

Akdeniz iklimi ile Karadeniz iklimi arasında bir geçiş sağlayan Kocaeli’nin iklimi İzmit Körfezi ve Karadeniz kıyılarında iç kesimlere göre ılıman, dağlık kesimlerde ise daha sert bir seyir sürer. İki denizin kıyıları arasında aynı mevsimde sıcaklık farkı görülür. Samanlı Dağları’nın Körfez’e bakan kıyılarında iklim Karadeniz iklimiyle benzeşir. Karadeniz kıyısında 1000 mm’yi aşan yıllık yağış miktarı güneye gidildikçe azalır.

Kocaeli’de bitki örtüsü iklimle bağlantılı olarak kuzeyinde Karadeniz, güneyinde Akdeniz özellikleri gösterir. Pek çok endemik türe sahip bitki örtüsü daha çok Marmara Bölgesi çeşitliliğiyle kendini gösterir. Endemik bitkilerin oranı %3,39’u bulur ve il genelinde 1477 farklı bitki türü yetişir. Sadece ülkemizde yetişen Kilyos Düğmesi, İstanbul Nazendesi, Hoşkangal ve Sıktarlakuşu gibi bitkiler Kocaeli’de de görülmektedir. Kocaeli topraklarının dünyaya kazandırdığı bitki ise Keltepe Çiğdemi’dir.