Toạ lạc ở vị trí địa đầu phía nam của tỉnh, bắc giáp Nha Trang và Diên Khánh, phía tây giáp huyện Khánh Sơn, phía nam giáp tỉnh Ninh Thuận, phía đông là bán đảo Cam Ranh tạo nên vịnh Cam Ranh nổi tiếng (dài 20km, chỗ rộng nhất 10km, sâu trung bình 18,2m, sâu nhất 30m, cửa vịnh thông ra biển rộng 3km, có đảo Bình Ba án ngữ nên vừa kín gió vừa êm sóng), có thể sánh ngang với vịnh Sanfrancisco của Mỹ và vịnh Rio de Janeiro của Brazil.
Tổng diện tích tự nhiên toàn thị xã là 690km2, dân số là 202.224 người, mật độ bình quân 293 người/km2. Dân cư sống chủ yếu bằng nông nghiệp, ngư nghiệp, làm muối, lâm nghiệp, thương nghiệp và dịch vụ cảng.
Trung tâm của thành phố là Ba Ngòi với cảng Đá Bạc (hay còn gọi là cảng Ba Ngòi) là thương cảng nằm trong vịnh Cam Ranh, cửa ngõ xuất khẩu muối của Cam Ranh và tỉnh Ninh Thuận. Phường Ba Ngòi nằm ngay quốc lộ 1A và ngã ba tỉnh lộ 9 đi Khánh Sơn, cách Nha Trang 65km về phía bắc, cách Phan Rang 40km về phía nam.
Cam Ranh có nhiều cảnh đẹp nổi tiếng như Hòn Rồng, Hòn Qui, núi Cam Linh, hồ Cam Ranh, Bãi Dài và cũng có nhiều di tích quan trọng như đền thờ ông Tướng không đầu, nhà tù Cam Ranh, đồng Bà Thìn, di tích lịch sử đồn VIGIE (Cam Bình), Ao Hồ...
Sản vật của Cam Ranh xưa nay nổi tiếng như: sò huyết Thuỷ triều, tôm hùm Bình Ba, hàu Trà Long, ốc tai tượng, muối Cam Ranh, nhựa thông, xoài Thanh Ca... Khoáng sản có sa khoáng Imenhit, thạch anh... nhưng nổi tiếng nhất là cát thuỷ tinh Thuỷ Triều, là nguyên liệu lý tưởng cho công nghiệp chế biến thuỷ tinh pha lê, kính quang học.
Đường xe lửa xuyên Việt đi qua ga Cam Thịnh, Cam Ranh.