Miasto Piła powstało w dolinie rzeki Gwdy, w pobliżu jej ujścia do Noteci, na obszarze tzw. pradoliny toruńsko-gorzowskiej, położone jest na wysokości ok. 65 m n.p.m., a teren, który zajmuje, na skutek pofałdowania przez przesuwający się lodowiec cechuje znaczne urozmaicenie. Poza tym na krajobraz miasta wpłynęły liczne powodzie i ustawiczne działania erozyjne Gwdy. Wytworzyły się w efekcie skarpy, sięgające do wysokości 10 m, biegnące zazwyczaj równolegle do biegu rzeki.
Teren, na którym rozciąga się miasto, ma charakter terasowaty. Wyróżniają się dwa poziomy stary, będący równiną zandrową, oraz młodszy, określany przez geologów jako zander dolinny.
Centrum Piły leży na poziomie zandrowym niższym (60 - 65 m n.p.m.), o powierzchni względnie płaskiej, natomiast jej część północną, leżącą na zandrze dolinnym, przecina przecina rynna jeziorna o stromych krawędziach, których wysokość sięga 10 - 15 m. Z kolei przez część południową przebiega rynna Gwdy. Jedynie północno-zachodnie obrzeże miasta wkracza na teren wzgórz morenowych, dochodzących tutaj do wysokości 100 m n.p.m.
Całe miasto rozciąga się w zlewisku Gwdy i jej dopływu Rudy. Obydwie rzeki płyną starymi korytami , wyżłobionymi w ciągu wieków. W sumie obszar dorzecza Gwdy wynosi ok. 5 tyś km2 , przez co rzeka ta stanowi największy dopływ Noteci. Długość Gwdy wynosi 145 km, a jej przeciętna szerokość - ok. 15 m. Trzeba też dodać, że Gwda, pomimo swego krótkiego biegu, ma bardzo duży spadek - różnica poziomów wynosi 6,4 cm na 1 km. Dzięki temu możliwe okazało się wykorzystanie jej energii wodnej do różnych celów przemysłowych. W latach siedemdziesiątych bieżącego ubiegłego wieku przeprowadzono regulację rzeki na odcinku śródmiejskim, przez co zlikwidowano ostre zakola. Przy tej okazji umocniono i podwyższono brzegi rzeki. Regulacja odbiła się na mikroklimacie miasta , ponieważ w wyniku obniżenia poziomu lustra wody nastąpiło osuszenie zabagnionych brzegów rzeki na jego obszarze.
Na klimat Piły oddziaływają też znajdujące się w pobliżu liczne jeziora i stawy. W samych granicach miasta doliczyć się możemy 5 jezior, o ogólnej powierzchni 112 ha. Do największych należą jezioro Płotki (o powierzchni 44 ha) i Rudnickie (34 ha). Mniejsze od nich są jeziora Jeleniowe i Błotne, położone w zachodniej części miasta oraz Piaszczyste, rozciągające się na południe od centrum Piły. W sumie obszar wód w mieście i w najbliższym jego sąsiedztwie dochodzi do ok. 300 ha, i na wody przypada 3,4% powierzchni miasta.
Pod względem klimatycznym położenie Piły nie należy do najzdrowszych. Ukształtowanie terenu, a zwłaszcza rynnowatość doliny Gwdy oraz zbyt wysoki poziom wód gruntowych wywierają istotny wpływ na wilgotność klimatu. Stąd tak wiele dni mglistych. W miesiącach letnich następuje intensywne parowanie, wywierające ujemny wpływ na zdrowie człowieka. Do najzdrowszych należą dzielnice wschodnie i zachodnie, natomiast centralne, południowe i północne - gdzie tereny są niżej położone - cechuje zaleganie wilgotnych mas powietrza.
Piła znajduje się na obszarze z klimatem środkowoeuropejskim, czyli umiarkowanym. Występują tu niewielkie różnice klimatyczne, kształtujące się według kierunku biegu równoleżników, zgodnie z regułą, że każdy 1° szerokości geograficznej zmniejsza przeciętną roczną temperaturę o 0,1°C.
Przeciętna roczna temperatura w Pile waha się od +7 do +5°C. Opady są tu raczej umiarkowane i wynoszą - jak w całej niemal Wielkopolsce - od 560 do 600 mm. Śnieg leży przeciętnie od 38 do 50 dni w roku. Za to liczba dni z przymrozkami jest znaczna, bo wynosi ok. 100, natomiast dni prawdziwie mroźnych bywa zaledwie od 30 do 34. Stosunkowo dużo jest tu dni z niewielkimi opadami, bo od 160 do 180, a zatem przeciętnie co drugi dzień pada. Stąd i lata upalne należą do wyjątków, przeważnie bywa w roku ok. 30 dni upalnych. Gospodarka rolna znosi tę sytuację doskonale, za to dla ogrodów i sadów nie jest ona najkorzystniejsza. Okres wegetacji roślin w Pile wynosi 148 dni. Przeważają w mieście wiatry z kierunków zachodniego i południowo-zachodniego, najrzadsze są wschodnie. Pozytywną cechą mikroklimatu Piły jest stosunkowo duża liczba dni bezwietrznych w roku, szczególnie w okresie wiosenno-letnim. Jednak w porze wiosennej w dniach takich, gdy równocześnie silnie grzeje słońce, w dolinie Gwdy dochodzi do silnego parowania i w mieście wyczuwa się nadmierne zawilgocenie.
Pod względem budowy geologicznej teren, na którym powstało miasto, charakteryzuje obfitość żwirów i piasków, jak również dobrych gatunków glin. Bogate złoża gliny ceramicznej występują zwłaszcza we wschodniej części miasta, gdzie kiedyś czynnych było 5 cegielni (dziś wszystkie są zlikwidowane). Natomiast najbogatsze złoża żwirów budowlanych znajdują się w zachodniej oraz północnej części miasta, w tym w dzielnicy Koszyce.
W samej Pile i na jej przedmieściach występują grunty piaszczyste, rzadziej zaś spotyka się gleby gliniaste, zaliczane do VI klasy bonitacyjnej. Lepsze grunty zdarzają się sporadycznie w dolinach Gwdy i Rudy, gdzie bywają gleby próchnicze.
Słabe gleby od dawna zalesiano, stąd okolice miasta obfitują w lasy, wchodzące w skład kompleksu Puszczy Nadnoteckiej, która stanowiła niegdyś nieprzebytą barierę między Wielkopolską a Pomorzem. W najbliższej okolicy miasta lasy zajmują ok. 57% powierzchni terenu i zwartym pierścieniem otaczają Piłę ze wszystkich stron. W drzewostanie dominuje sosna, ale wiele jest także drzew liściastych.
W promieniu kilku kilometrów od miasta ustanowiono wiele rezerwatów leśnych. Na uwagę zasługuje zwłaszcza rezerwat przyrody „Kuźnik"; cenne są także objęte ochroną wiekowe dęby w Kalinie.
Na południe od Piły zaczyna się szeroka dolina Noteci. Po obu stronach rzeki ciągną się kilometrami łąki i pastwiska, stanowiące podstawę dla rozwoju hodowli bydła w tych okolicach.