Η πόλη απέχει 243 χλμ. από την πρωτεύουσα Σόφια, 95 χλμ. από το Πλόβντιβ, 376 χλμ. από τη Βάρνα και 260 χλμ. από το Μπουργκάς.

Έχουν διατηρηθεί πολύτιμοι φυσικοί βιότοποι της αειθαλούς θρακικής βελανιδιάς, της δασικής πεύκης, του μπλε αρκεύθου και της πρίμουλας. Το τοπίο της περιοχής περιέχει μερικά από τα πιο πολύτιμα είδη δέντρων και φυτών που αναφέρονται στο Κόκκινο Βιβλίο της Βουλγαρίας.

Το κλίμα της περιοχής είναι ηπειρωτικό μεσογειακό, ήπιο και υγρό, με πολλές ηλιόλουστες μέρες το χρόνο. Οι χειμώνες είναι σχετικά ήπιοι, με μέσες θερμοκρασίες γύρω στους 0°C. Τα καλοκαίρια είναι ηλιόλουστα και ζεστά, με τις υψηλότερες θερμοκρασίες να φτάνουν τους 40°C. Οι μεγαλύτερες ώρες ηλιοφάνειας στο Κάρντζαλι σημειώνονται τον Ιούνιο, τον Ιούλιο και τον Αύγουστο.

Ο ποταμός Άρδα ρέει μέσα από την πόλη. Η έκταση της λεκάνης είναι 5.795 km². Τρία φράγματα έχουν κατασκευαστεί κατά μήκος του ποταμού: Κάρτζαλι, Στούντεν Κλάντενετς και Μπόροβιτσα.

Υπάρχουν μεγάλα κοιτάσματα μολύβδου και ψευδαργύρου, μπεντονίτη, περλίτη, ζεόλιθου, αμιάντου, πολύτιμων και ημιπολύτιμων ορυκτών και χρυσού. Ο δήμος έχει επίσης σημαντικά κοιτάσματα μη μεταλλικών ορυκτών: μπεντονίτη, ζεόλιθο, τρασσά, άστριο, μαρμαρυγία, ασβεστόλιθο, άμμο, χαλίκι κ.λπ.