Vitoria-Gasteiz befindet sich inmitten der alavesischen Hochebene (Llanada Alavesa) auf ungefähr 525 m Meereshöhe bei 2° 40' westlicher Länge und 42° 51' nördlicher Breite. Die Berge in der Nähe der Stadt weisen Höhen von rund 1.000 m auf.
Das Klima stellt einen Übergang vom feuchtmilden maritimen Küstenklima zum trockenen Kontinentalklima der kastilischen Hochebene dar. Aufgrund des deutlichen Temperaturunterschiedes wird Vitoria von den Bewohnern der küstennahen Gebiete scherzhaft als Siberia-Gasteiz bezeichnet. Die Jahresdurchschnittstemperatur beträgt ca. 11,5 °C, die Jahresniederschlagsmenge ca. 820 mm.
Durch Vitoria fließt der Fluss Zadorra.