Карачаево-Черкесия располагается в предгорьях северо-западного Кавказа.

Граничит на западе с Краснодарским краем, на севере со Ставропольским краем, на востоке — с Кабардино-Балкарской Республикой, на юге — вдоль Главного Кавказского хребта — с Грузией, а также с Абхазией (которая является частично признанным государством; при этом, согласно административно-территориальному делению Грузии, входит в состав Грузии). Состоит из 10 муниципальных районов — Абазинского, Адыге-Хабльского, Зеленчукского, Карачаевского, Малокарачаевского, Ногайского, Прикубанского, Урупского, Усть-Джегутинского, Хабезского и двух городов республиканского подчинения — Карачаевска и Черкесска.

Климат умеренно тёплый, зима короткая, лето тёплое, продолжительное, достаточно увлажнённое. Для климата показательна большая продолжительность солнечного сияния. Средняя температура января −3,2 °C, июля +20,6 °C, самая высокая температура +39 °C, низкая −29 °C.

Большая часть (около 80 %) Карачаево-Черкесской Республики расположена в горной местности. В пределах республики выделяются 3 зоны: предгорная равнина, предгорья и горы Кавказа. На севере тянутся передовые хребты Большого Кавказа, на юге — Водораздельный и Боковой, их высота достигает 4000 м. К побережью Чёрного моря ведут Марухский и Клухорский перевалы. Военно-Сухумская дорога, проходящая через Клухорский перевал, соединяет Карачаево-Черкесию с Абхазией. На границе с Кабардино-Балкарией расположена гора Эльбрус, самая высокая вершина Кавказа.

В республике имеется изобилие водных ресурсов: около 130 высокогорных озёр, множество горных водопадов. Протекают 172 реки, из которых самые крупные — Кубань, Большой и Малый Зеленчук, Уруп, Лаба; имеется Кубанское водохранилище. Действующая в республике система Большого Ставропольского канала является источником водоснабжения для Ставропольского края.

Недра богаты природными ископаемыми: каменный уголь, гранит, мрамор, различные руды и глины. В больших запасах — лечебные минеральные воды, присутствует множество термальных источников.

Карачаево-Черкесия расположена в зоне горных степей и широколиственных лесов. В лесах и высокогорье сохранилась богатая флора и фауна. На территории республики имеется ряд особо охраняемых природных территорий, в том числе Тебердинский заповедник и часть Кавказского заповедника.