Orasul este asezat în zona geografica a Subcarpatilor Getici, în Depresiunea Târgu-Jiu - Câmpu Mare, una dintre cele mai întinse depresiuni subcarpatice intracolinare, între Subcarpatii Gorjului la nord si Dealul Bran, la sud, la confluenta Amaradiei Pietroasei cu Jiul. Se întinde pe o lungime de 13 km de la nord la sud si 10 km de la est la vest, pe ambele maluri ale Jiului. Este temperat continentala de deal, cu 190 de zile fara înghet, cu precipitatii neuniform repartizate, cu vânt dominant dinspre nord, pe Valea Jiului. Temperatura aerului, variaza în limite largi ca urmare a diferentelor mari de altitudine a reliefului. Mediile anuale sunt de 10,2° C la Târgu Jiu, în depresiune, de aproximativ 3° C pe muntii cu altitudini mijlocii si de 0° C sau sub 0° C pe muntii înalti.