Kocaeli ili, Marmara Bölgesi'nin Çatalca-Kocaeli Bölümü'nde, 29° 22'—30° 21' doğu boylamı, 40° 31'—41° 13' kuzey enlemi arasında yer alır. Doğu ve güneydoğusunda Sakarya, güneyinde Bursa illeri, batısında Yalova ili, İzmit Körfezi, Marmara Denizi ve İstanbul ili, kuzeyde de Karadeniz'le çevrilidir. İl merkezi İzmit'in doğusundan geçen 30° doğu boylamı Türkiye saati için esas kabul edilir. Kocaeli ilinin yüzölçümü 3.505 km2'dir. Asya ile Avrupa'yı birleştiren önemli bir yol kavşağında bulunmakta­dır. Doğal bir liman olan İzmit Körfezi işlek bir deniz yoludur. İlin kuzeybatı yüzündeki İstanbul il sınırı, Gebze ile İstanbul arasında akan Kemiklidere'nin doğusundan geçer. Güneybatıda İstanbul-Kocaeli sınırı İzmit Körfezi'nin karşı kıyısında Yalova topraklarıyla son bulur. Bursa sınırını Samanlı Dağları'nın tepelerinden geçen hat oluşturur.


İlde çok sayıda küçük dere vadisi vardır. Ovalar genellikle akarsuların yığıntılarıyla oluşmuş küçük alüvyal düzlükler niteliğindedir. Karadeniz'e dökülen akarsuların oluşturduğu vadiler, Kocaeli Yarımadası'nın yeni bir biçim almasına yol açan tektonik hareketlerin öncesinde ortaya çıkmış, buna karşılık Marmara Denizi'ne dökülen akarsu vadileri bu hareketlerin sonrasındadır.

Kocaeli Yarımadası'nın bugünkü biçimi, İzmit Körfezi ve Sapanca Gölü gibi tektonik çöküntüler, Karadeniz gibi çanaklaşmalar ve deniz yüzeyindeki değişmelerle belirlenmiş yarımadanın kıyı kesimlerinde denize taraçalar oluşmuştur. Bu arada akarsuların aşağı çığırlarında da genişleyen alüvyal dolgu tabakalar ve kıyı birikim kuşakları oluşmuştur. Daha önce de belirtildiği gibi yarımadadaki su bölümü çizgisi, İzmit Körfezi'ne çok yakın bir kesimden geçmektedir.


İl topraklarından kaynaklanan suların bir bölümü Ka­radeniz'e, bir bölümü de Marmara Denizi'ne ulaşır. Kocaeli Yarımadasında uzanan dağların sırtı İzmit Körfezi ve Mar­mara'ya daha yakın olduğundan Karadeniz'e dökülen akar­sular daha uzundur. Gebze'nin Tepecik köyü yakınlarından doğan 71 km uzunluğundaki Riva (Çayağzı) Deresi İstanbul Boğazı giri­şinin doğusunda Karadeniz'e dökülür. Ağva Deresi de denen Göksu Deresi Karayakuplu köyü yakınlarından çıkar ve Ağva'da Karadeniz'e ulaşır. Yine Karadeniz'e dökülen Yulaflı Deresi'nin uzunluğu 43 km'dir. Üzerinde İstanbul kentine su sağlayan Darlık Barajı bulunan Darlık Deresi de il toprak larından doğar. Denizli köyünden doğup Karadeniz'e dö­külen Kocadere'nin uzunluğu 50 km'dir. İl topraklarından doğup, il sınırları içinde Karadeniz'e dökülen başlıca akarsu Kandıra ilçesindeki Sansu'dur. Sakarya Nehri'ne Karadeniz'e dökülmeden önce katılan son akarsu olan Kaynarca Deresi de Kandıra ilçesinden doğar. Samanlı Dağları'ndan doğan Kirazdere İzmit kentinde körfeze dökülür. Bu dere üzerindeki Kirazdere Barajı'nın yapımı 1997'de tamamlanmıştır. Gebze ilçesindeki Dilovası Deresi'nin uzunluğu 12 km'dir. Pelitli kö­yünün güneyinden ve Tavşanlı köyünün kuzeyinden geçerek İzmit Körfezi'ne dökülür. 542 km burhan dereside vardır. İlimizin en büyük ve en güzel köyü ise 2.000'i aşkın nüfusuyla Karaağaç'tır. Ayrıca burası ilimizin en doğusunda Kandıra ilçesine bağlıdır.


Batı bölümündeki 7 km'si Kocaeli sınırları içerisinde kalan Sapanca Gölü'nün yüzölçümü 47 km²'dir. Uzuntarla, Maşukiye ve Eşme Beldelerine sınırdır. İzmit kentine su sağlayan Kirazdere Barajı'nın ardında yer alan yapay göl ise 1,74 km²'lik bir alanı kaplar. Bir başka yapay göl de Kocaeli Büyükşehir Belediyesi tarafından kentin su ihtiyacını karşıla­mak için yaptırılan barajın ardında su toplanması sonucu oluşan Yuvacık Baraj Gölü'dür.


Körfez kıyılarıyla Karadeniz kıyısında ılıman, dağlık kesimlerde daha sert bir iklim hüküm sürer. Kocaeli ikliminin, Akdeniz iklimi ile Karadeniz iklimi arasında bir geçiş oluştur­duğu söylenebilir. İl merkezinde yazlar sıcak ve az yağışlı, kışlar yağışlı, zaman zaman karlı ve soğuk geçer.Karlı günler sayısı ortalama 12 gündür. Kocaeli'nin Karadeniz'e bakan kıyıları ile İzmit Körfezi'ne bakan kıyılarının iklimi arasında bazı farklılıklar göze çarpar. Yazın körfez kıyılarında bazen bunaltıcı sıcaklar yaşanırken Karadeniz kıyıları daha serindir- İl merkezinde ölçülen en yüksek hava sıcaklığı 44,1 °C (13 Temmuz 2000), en düşük hava sıcaklığı -8,3 °C (23 Şubat 1985), yıllık ortalama sıcaklık ise 14,8 °C'dir. Karadeniz kıyısında yıllık ortalama yağış miktarı 1.000 mm'yi aşar. Bu miktarı güneye doğru gidildikçe azalır, İzmit'te 800 mm'nin de altına düşer (784,6 mm). Samanlı Dağlan'nın kör­feze bakan yamaçlarında iklim Karadeniz kıyılarına benzer. Yağış miktarı da bu kesimde farklıdır. Rüzgârlar kışın kuzey ve kuzeydoğudan, yazları ise kuzeydoğudan eser.


İlde her türden fen lisesi mevcut olmasının yanı sıra Kocaeli Üniversitesi ve Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü'ne de ev sahiplği yapmaktadır.


Kocaeli'nde bitki örtüsü, genelde Marmara Bölgesinin özelliğini taşımakla birlikte, kıyısıyla dağlık alanlar arasında önemli farklılıklar görülür. Ayrıca kuzeyden güneye doğru gidildikçe Karadeniz kıyısına özgü bitki topluluklarının yerini Akdeniz bitkileri almaya başlar. Samanlı Dağları ile Karadeniz kıyısı ardındaki alanlar sık ve nemcil ormanlarla kaplıdır. Bu ormanlar daha çok kayından oluşur; bazı kesimlerde kayına gürgen, kestane ve meşe de karışır. Samanlı Dağlan'nın yüksek kesimleri iğneyapraklılarla örtülüdür. İzmit Körfezi'nin kuzey ve doğu­sunda Akdeniz iklimine özgü makilere rastlanır. Eskiden kör­fezin kuzey kıyılarında yaygın olan zeytinlikler kent ve sanayi alanı elde edilmesi amacıyla yok edilmiş durumdadır. Tahrip edilen ormanlık alanlar step bitkileri ve yalancı makilerle kaplıdır.