Secara geografis, Kota Madiun terletak pada 111° BT – 112° BT dan 7° LS – 8° LS. Kota Madiun hampir berbatasan sepenuhnya dengan Kabupaten Madiun, serta dengan Kabupaten Magetan di sebelah Barat. Bengawan Madiun mengalir di kota ini, merupakan salah satu anak sungai terbesar Bengawan Solo.
Kota Madiun terletak pada daratan dengan ketinggian 63 meter hingga 67 meter dari permukaan air laut. Daratan dengan ketinggian 63 meter dari permukaan air laut terletak di tengah, sedangkan daratan dengan ketinggian 67 meter dari permukaan air laut terletak di sebelah di selatan. Rentang temperatur udara antara 20 °C hingga 35 °C.
Posisinya yang cukup strategis menjadikan Madiun berada di jalur utama Surabaya-Yogyakarta. Kota ini juga menjadi persimpangan jalur menuju Ponorogo dan Pacitan ke arah selatan. Akan direncanakan oleh pemerintah Jawa Timur untuk membangun jalan bebas hambatan dari Kota Surakarta (tanpa lewat Kota Sragen dan Ngawi) lurus ke barat laut sampai Maospati, Magetan kemudian di teruskan sampai Kota Madiun dan di teruskan lurus ke timur laut melewati Kota Nganjuk sampai di Waru, Sidoarjo (Berhubung dengan Tol Surabaya-Gempol). Hal ini bertujuan untuk membangun Kota Madiun sebagai kota metropolitan atau kota singgah yang diharapkan dapat membantu permasalahan Kota Surabaya. Oleh karena itu, Kota Madiun ditetapkan sebagai wilayah hinterland atau pusat ekonomi untuk daerah sekitarnya dalam Rencana Tata Ruang dan Wilayah (Perda No 6/2007).
Wilayah Kota Madiun mempunyai luas 33,23 Km² dan terbagi menjadi 3 (tiga) kecamatan yaitu Kecamatan Manguharjo, Kecamatan Taman, dan Kecamatan Kartoharjo. Dengan luas masing-masing Kecamatan Manguharjo 12,54 Km², Kecamatan Taman 13,46 Km²,dan Kecamatan Kartoharjo 11,73 Km². Masing-masing kecamatan tersebut terdiri atas 9 kelurahan sehingga semuanya terdapat 27 kelurahan di Kota Madiun.
Wilayah Kota Madiun berbatasan dengan :
- Sebelah Selatan : Kecamatan Geger
- Sebelah Utara : Kecamatan Madiun
- Sebelah Barat : Kecamatan Jiwan, Kabupaten Magetan
- Sebelah Timur : Kecamatan Wungu
Kota Madiun terkenal dengan produk unggulannya makanan brem. Salah satu makanan khas Madiun adalah Pecel Madiun, serta sambal pecel madiun. Kota Madiun juga merupakan pelestari budaya tradisional, yaitu pencak silat yang merupakan salah satu kekayaan seni beladiri di Indonesia.
Tempat menarik di Kota Madiun adalah di Pahlawan Street Centre (PSC) di mana di sepanjang jalan tersebut ada are tempat duduk yang panjang dan penuh warna, terdapat juga miniatur patung merlyn, menara eifell dan ka’bah.