Mossoró está situada no interior do estado do Rio Grande do Norte, na região Nordeste do Brasil. Pertence à mesorregião do Oeste Potiguar e à microrregião homônima. A cidade fica entre as capitais Natal e Fortaleza (CE), distante 278 e 245 km, respectivamente.

O acesso ao município pode ocorrer através das rodovias federais 110, 304 e 405, além das inúmeras rodovias estaduais que interligam a maior cidade do RN com as demais, além dos municípios situados nos estados vizinhos da Paraíba e do Ceará.

Limita-se ao norte como Estado do Ceará e o Município de Grossos; ao sul com os Municípios de Governador Dix-Sept Rosado e Upanema; ao leste com Areia Branca e Serra do Mel; e a oeste com Baraúna.

De acordo com o Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE) a área total do município é de 2.110,207 quilômetros quadrados, o que lhe dá o título de maior município do estado do Rio Grande do Norte, em termos de extensão territorial.

Conforme estudo divulgado em 2008 pelo Instituto de Desenvolvimento Sustentável e Meio Ambiente do Rio Grande do Norte (IDEMA), o relevo é predominantemente plano, uma média de altitude de 100 metros. Sua formação é composta pela Depressão Sertaneja/São Francisco, pela Chapada do Apodi, por planícies fluviais e por depressões sublitorâneas.

O estudo do Idema demonstrou ainda que o município encontra-se com 100% do seu território inserido na bacia hidrográfica do rio Apodi/Mossoró. Os principais rios que cortam o território mossoroense são o Rio Apodi e o Rio do Carmo.

Quanto ao clima, a pesquisa desenvolvida pela equipe do Idema, em 2008, constatou que o nosso é muito quente e semiárido. O período chuvoso vai de fevereiro à abril. Em média, a temperatura é de 27,4 °C, atingindo 36,0 °C e 21,0 °C, máxima e mínima, respectivamente. Nossa umidade relativa foi verificada em 70%.

Segundo dados do Instituto Nacional de Meteorologia (INMET), a temperatura mínima registrada em Mossoró foi de 8,9°C, ocorrida no dia 21 de julho de 1981. Já a máxima foi de 39,4°C, observada dia 16 de dezembro de 1974.

Ainda segundo o relatório do Idema, podemos encontrar no território mossoroense três tipos de vegetação distintos. São eles: caatinga hiperxerófila, carnaubal e a vegetação halófica