Cēsis atrodas Vidzemes Centrālās augstienes ziemeļrietumu nogāzē, kur augstiene saskaras ar Gaujas senleju. Tieši šajā abu fiziski - ģeogrāfisko rajonu kontakta joslā senlejas krastos veidojas savdabīgas un interesantas dabas ainavas, tāpēc Cēsu apkārtne ir viena no Latvijas skaistākajām vietām ar ļoti lielu nozīmi iedzīvotāju atpūtā un veselības aizsardzībā.
Pilsētas lielākā daļa atrodas Vidzemes Centrālās augstienes nogāzē uz viegli viļņota morēnas līdzenuma. Austrumdaļā tā virsma paceļas līdz 130m virs jūras līmeņa, rietumos un ziemeļrietumu virzienā uz Gaujas senlejas pusi pazeminās līdz 98-105m virs jūras līmeņa. Nogāzes rietumdaļu saposmo daudzo senlejas sāngravu augšgali. Ieleju un gravu dziļie iegrauzumi pamatiežos atsedz pazemes ūdeņu horizontus, kas baro avotus, strautus, upītes. Ielejās ir laba augsne un bagāta augu valsts. Gravās daudz smilšakmens atsegumu, krauju un alu, kas radušies pazemes, virszemes ūdeņu un cilvēka darbības rezultātā. Šo faktoru darbības rezultātā alas un kraujas iet arī bojā, kā tas noticis ar Cēsu lielāko un garāko alu Vinteralu.
Pilsētas ziemeļrietumu daļā senlejas malā ar priežu mežu apaugusi smilšakmens grants kēmu pauguraine. Austrumu virzienā tā pāriet kultūrainavā.
Cēsu rajona teritorijā Gauja plūst pa ledāju kušanas ūdeņu veidotu devona smilšakmenī iegrauztu senleju. Zemes virsa ielejas dibenā ir tikai ap 30m virs jūras līmeņa, ielejas nogāzes augšējā malā pamatkrastā sasniedz ap 70m virs jūras līmeņa. Ielejā ir vairākas terases, nogāzēs daudz mazāku graviņu.
Gaujas gultne ir līkumaina, to veido irdenas smilts un grants sanesas, kas lielā daudzumā pārvietojas līdzi straumei. Tāpēc Gaujas dziļums ir ļoti nevienmērīgs un laika gaitā ātri mainās. Upē daudz sēkļu un dzelmju, ir arī atvari. Gultnei abās pusēs ir paliene ar vecupēm. Gultnes dibenā un krastos bieži vien izplūst pazemes ūdeņi, kas vasarā rada lielu ūdens temperatūras nevienmērību un kopumā stipri pazemina ūdens temperatūru. Gaujā no visām Latvijas upēm ir viszemākā ūdens temperatūra. Dažās vietās virs spēcīgiem avotiem smilts nogulumi ir ļoti irdeni, tur veidojas t.s. grimstošās smiltis. Krasti bieži vien ir ļoti krauji, viegli izskalojami, nobrūkoši. Minēto apstākļu dēļ Gaujā peldēties ieteicams tikai labi zināmās vietās.
Upe aizsalst decembra beigās. Vislielākais ūdens caurplūdums un augstākie līmeņi ir pavasara sniega kušanas laikā. Otrs līmeņu maksimums vērojams pēc rudens lietiem.
Pie Raiskuma tilta visaugstākais ūdens līmenis novērots 1931.gada 28.aprīlī 28,01 metri.
Institūta Melioprojekts aprēķini rāda, ka maksimālie līmeņi var atkārtoties:
- 28,15 m virs līmeņa reizi 100 gados,
- 26,95 m virs līmeņa reizi 10 gados.
Pat pie visaugstākajiem aprēķinātajiem līmeņiem plūdi Cēsu pilsētas apbūvētajai teritorijai nekādus zaudējumus radīt nevar, taču īpaši jāatzīmē tas, ka pilsētas dzeramā ūdens ņemšanas vieta Cēsīs, Upes ielā 21 atrodas palu apdraudētajā zonā, tāpēc te izbūvēts aizsargdambis, kurš jāpagarina pa teritorijas perimetru.
Interesants dabas apstāklis ir Gaujas senlejas iestiepšanās caur daudzām gravu un upīšu sistēmām līdz pat pilsētas centram, kas veido pilsētas reljefu savdabīgu.
Latvijas klimatu kopumā nosaka tās ģeogrāfiskais stāvoklis Baltijas jūras tuvumā, kur valdošās ir gaisa masas no Atlantijas okeāna.
Cēsu pilsēta atrodas mitrā, kontinentālā, mēreni vēsā Latvijas klimatiskajā rajonā. Gada vidējā gaisa temperatūra ir +5.1grādi pēc Celsija, gada visaukstākais mēnesis ir janvāris ar mēneša vidējo gaisa temperatūru 6.2 grādi pēc Celsija, vissiltākais ir jūlijs ar mēneša vidējo gaisa temperatūru +16.7 grādi pēc Celsija. Valdošie dienvidu, dienvidrietumu vēji, lielākais vēja ātrums ir novembrī -janvārī (3-8m/s), mazākais jūlijā -augustā (2-5m/s), maksimālās brāzmas sasniedzot oktobrī, novembrī (34m/s).
Valdošās mitrās jūras gaisa masas nodrošina lielu nokrišņu daudzumu. Nokrišņi iespējami vidēji katru otro dienu. Vidējais gada nokrišņu daudzums ir 691mm. Visvairāk nokrišņu ir jūnijā - septembrī (77-96mm), tad tie nereti ir intensīvi, gāzienveidīgi, ar pērkona negaisu, absolūti maksimālais mēneša nokrišņu daudzums 224mm (1928.gada jūnijā). Vismazāk nokrišņu ir februārī - martā (24-29mm), ziemā nokrišņi ir ilgstošāki, mazāk intensīvi.
Ievērojamais nokrišņu daudzums un mērenās temperatūras visu gadu rada paaugstinātu gaisa mitrumu un mākoņainību. Faktiskais saules spīdēšanas ilgums vidēji gadā nepārsniedz 40% no iespējamā.
Pastāvīga sniega sega parasti izveidojas decembra otrajā dekādē. Vidējais sniega segas biezums ziemā ir 8-10 cm, brīžiem sasniedzot 64 cm. Sniega sega parasti izzūd marta pēdēja dekādē.
