Hoa Lư thuộc vùng bán sơn địa, phía Tây là Quần thể di sản thế giới Tràng An với khoảng 1/4 diện tích thành phố là vùng núi ngập nước, còn lại là vùng đồng bằng có xen những núi nhỏ. Có 4 núi nằm tại trung tâm thành phố rất nổi tiếng, từng được xem là Tứ đại danh sơn của thành phố Ninh Bình trước đây là núi Ngọc Mỹ Nhân, núi Non Nước, núi Kỳ Lân, núi Lớ.

Thành phố Hoa Lư nằm ở trung tâm tỉnh Ninh Bình, trên trục giao thông Bắc – Nam, cách thủ đô Hà Nội 80 km, có vị trí địa lý:

• Phía đông giáp huyện Ý Yên, tỉnh Nam Định qua sông Đáy
• Phía tây giáp thành phố Tam Điệp và huyện Nho Quan
• Phía nam giáp huyện Yên Khánh và huyện Yên Mô
• Phía bắc giáp huyện Gia Viễn qua sông Hoàng Long.

Thành phố Hoa Lư là đầu mối giao thông của 3 tuyến đường cao tốc Hà Nội – Ninh Bình, Ninh Bình – Vinh và Ninh Bình – Hải Phòng – Hạ Long. Thành phố này cũng nằm ở vị trí giao điểm của Quốc lộ 1 với các Quốc lộ 10, quốc lộ 37C, Quốc lộ 21C và Quốc lộ 38B đi qua các tỉnh vùng duyên hải Bắc Bộ. Khoảng cách từ trung tâm thành phố tới 6 huyện, thành phố khác của tỉnh Ninh Bình đều dưới 30 km.

Thành phố Hoa Lư nằm bên hữu ngạn hạ lưu sông Hoàng Long và sông Đáy với tổng chiều dài đê nối liền 25 km. Trên sông Đáy có cảng Ninh Phúc và cảng Ninh Bình nối thông ra cửa biển. Những sông nhỏ khác chảy xuyên qua thành phố có sông Chanh, sông Vạc, sông Bến Đang, sông Ngô Đồng, sông Sào Khê, sông Đền Vối, sông Tràng An và sông Vân.

Thành phố Hoa Lư có nhiều hồ sinh thái như hồ Máy Xay, hồ Biển Bạch, hồ Cánh Diều, hồ Lâm Sản, hồ Cá Voi, hồ Bạch Cừ, hồ Tràng An...

Phía Tây thành phố là quần thể danh thắng Tràng An với hệ thống hồ đầm, núi non xen kẽ.