Статус и границы городского округа установлены законом Челябинской области от 26 августа 2004 года № 260-ЗО «О статусе и границах Карабашского городского округа».
Граничит[1] на западе с Кусинским и Нязепетровским муниципальными районами, на севере с Кыштымским городским округом, на востоке с Аргаяшским муниципальным районом, на юге с Миасским и Златоустовским городскими округами.
Климатический подрайон IВ, климат умеренно континентальный. Многолетняя среднегодовая температура ≈ 1,5 °С с амплитудой от -45 °С до +39 °С. Средняя температура января: -15,4 °С с суточными перепадами до 20 °С., июля: +17,8 °С. Устойчивая отрицательная температура с октября по апрель. Среднегодовое количество осадков ≈ 600 мл[1].
На территории городского округа находится 16 рек и 22 озера с собственными названиями, 3 водохранилища: Аргазинское (частично), Киалимское, озеро-водохранилище Серебры. Зеркало подземных вод с уклоном к реке Миасс и озеру Аргази. Воды хлоридные, хлоридно-гидрокарбонатные, натриевые с общей минерализацией 0,4-0,8 г/дм3, общей жесткостью до 15-22 мг-экв/дм3. Хозяйственно-питьевое водоснабжение осуществляется из Киалимского водохранилища для основной части г. Карабаша, реки Большой Киалим для военного городка № 1 (Карабаш-4, Челябинск-115), озера водохранилища Серебры для северо-восточной части г. Карабаша, озера Увильды для посёлка Красный Камень. Остальные населённые пункты питаются, в основном, из колодцев, скважин или привозной водой. Водоснабжение технической водой ПАО «Карабашмедь» из Богородского пруда на реке Сак-Елга. Сточные воды г. Карабаша с недостаточной очисткой ввиду изношенности очистных сооружений поступают в реку Сак-Елга и пруд на реке Ольховке, правый приток Аткуса[1].
На территории Карабашского городского округа находится 6 ООПТ: озёра Увильды и Уфимское (исток реки Уфы), озеро-водохранилище Серебры, река Большой Киалим, Аргазинское водохранилище на реке Миасс, Луковая поляна[2].