Donetsk terletak di padang rumput Ukraine, dikelilingi oleh hutan yang bertaburan, bukit, sungai dan tasik. Pinggir utara kebanyakannya digunakan untuk pertanian. Sungai Kalmius menghubungkan bandar ini dengan Laut Azov .Bandar ini luas terbentang 28 km (17 batu) dari utara ke selatan dan 55 km (34 batu) dari timur ke barat. Terdapat 2 takungan: Nyzhnekalmius (60 ha ), dan "Laut Donetsk" (206 ha). Sungai ini mengalir melalui bandar seperti Kalmius, Asmolivka (13 km), Cherepashkyna (23 km), Skomoroshka dan Bakhmutka.

Iklim Donetsk adalah jenis sederhana benua ( Köppen: DFB ). Suhu purata adalah-4.1°C (25°F) pada bulan Januari dan 21.6°C (71°F) pada bulan Julai. Bilangan purata hujan setahun berjumlah 162 hari dan sehingga 556 milimeter setahun.