Сливенската равнина е последната от източните Подбалкански равнини; районът, географски наречен Средна гора, се извива на юг в Сливен. Нейните морфологични продължения са Бакаджишките планини, притокът на Свети Илийски хълмове, Монастирските хълмове и Сакарските планини в България. До първата четвърт на 19 век Сливенската равнина е била част от Розовата долина, но миграционни вълни от града след Руско-турските войни от 1806–1812 и 1828–1829 г. водят до спад в производството на розово масло. На изток от града се намира Долината на прасковите, чиито огромни плодови маси са подновени през първото десетилетие на 21-ви век.

Сливен е на 309 км от столицата София, на 177 км от град Пловдив, на 211 км от Варна, на 113 км от Бургас и на 130 км от границите на Република Гърция и Република Турция. Трасето на Паневропейския транспортен коридор 8 е планирано да премине през Сливен.

Местоположението на Сливен е благоприятно поради разположението му на кръстопът. Намира се в близост до прохода на Републиката и пътния възел Петолъчката, свързващ Северна и Южна България; връзката с изграждащата се магистрала Тракия е на 15 км южно (към Ямбол); а главният път между Бургас и София свързва пристанището на Бургас и летище Бургас с централната част на страната.

Градът се намира в преходноконтиненталната климатична зона и е географски разположен в Сливенската равнина на Балканите. Има отчетлив четирисезонен климат: зимите са меки, лятото е сравнително топло, а есента е по-дълга от пролетта. Низходящите ветрове бора, които духат с по-ниски температури в Северна България, са характерни за града.

През Сливен текат три реки: Асеновска (известна още като Асеновица или Коруча), Манастирска река и Новоселска река. Манастирска е приток на Новоселска. Всички те се вливат в река Тунджа, а оттам в Егейско море. Най-дългата река, течаща близо до Сливен, е Тунджа.