Город расположен на северной окраине Валдайской возвышенности, на Бологом озере в 164 км к северо-западу от Твери. Крупный железнодорожный узел Октябрьской железной дороги. Расположен примерно посередине железнодорожного пути из Санкт-Петербурга (319 км) в Москву (331 км). Протяжённость железной дороги от Московского вокзала в Санкт-Петербурге до Ленинградского вокзала в Москве составляет 649 км 700 м, то есть середина пути приходится на 325-й км (в 6 км от Бологого).
Указом президента РФ от 10 сентября 2021 года городу было присвоено звание «Город трудовой доблести»[2].
Город расположен на берегу озера Бологое на северо-восточных отрогах Валдайской возвышенности, переходящих в Вышневолоцкую низину. Абсолютные высоты в районе города — 150—200 м. Рельеф — слабохолмистый. В северной части города расположено ещё одно озеро Огрызково.
Район города входит в лесную зону, однако лесов сохранилось мало; они занимают лишь 10—15 % площади. Леса — смешанные с преобладанием хвойных пород.
Почвы — дерново-подзолистые суглинистые и супесчаные, развитые на морене. В понижениях около озёр почвы — торфяно-глеевые.Грунтовые воды залегают на глубине 10—15 м.
Климат в городе Бологое — умеренно континентальный. В городе — относительно тёплое лето и сравнительно холодная зима. По данным наблюдений в период 1981—2010 годов средняя годовая температура воздуха была +4,6 °С. Средняя температура самого холодного месяца (январь) была −7,5 °С, а самого тёплого (июль) была +17,9 °С. Годовое количество осадков в среднем составляет 669 миллиметров, хотя в некоторые годы может выпадать на 150—200 миллиметров больше (до 913 мм в 2019 году). Устойчивый снежный покров отмечается со второй декады ноября по первую декаду апреля, иногда отмечается выпадение снега и установление временного снежного покрова в мае (до 15 см в 1984 году) и сентябре (до 1 см в 1986 году). Среднегодовая продолжительность солнечного сияния составляет 1632 часа. Преобладающая в городе роза ветров — западная, северо-западная. Часто отмечаются порывы ветра до 12—16 метров в секунду.