Градът е дом на Драматичния театър „Гео Милев“, най-старият български театър в Тракия; древния форум „Августа Траяна“; и националния балнеологичен център, Старозагорските минерални бани, на 14 км от центъра на града. Южнобългарската опера (днес Старозагорска държавна опера), втората опера в страната след Софийската, е открита през 1925 г.; а паркът „Аязмото“, първият градски парк в европейски стил в България, е открит през 1895 г. В града се помещават и Музеят на религиите и Музеят на неолитните жилища.

Градът е разположен на брега на река Бедечка, в южните покрайнини на Сърнена Средна гора, южен проход към Старозагорската равнина, източната част на Горнотракийската низина, на средна надморска височина от 196 м. Намира се на 234 км от столицата София по асфалтиран път, на 250 км с железопътен транспорт, на 102 км от град Пловдив, на 288 км от Варна и на 172 км от Бургас.

Климатът на града е преходноконтинентален поради влиянието на Черно море. През зимата времето е по-меко и по-топло, отколкото в градовете на Тракийската низина, защото Средна гора го предпазва от студените северни и североизточни ветрове. Регионът е дом на екзотични дървесни видове, рядко срещани в България: магнолии, кедри, смокини, лаври, нарове, бадеми, фурми и кипариси. Средната годишна температура е 12,9 °C (средно януари +1 °C и средно юли +23,9 °C), а средните годишни валежи са 598 мм. На около 16 км северозападно от Стара Загора се намират Старозагорските минерални бани, а на около 15 км северно от града, в село Ягода, има друг минерален извор.