Η πόλη της Πτολεμαΐδας είναι απλωμένη στην κοιλάδα της Εορδαίας και περιβάλλεται από τις βουνοπλαγιές του όρους Άσκιο – Σινιάτσικο, στο νοτιοδυτικό σημείο και του όρους Βέρμιου στα βορειοανατολικά.
Βρίσκεται στο ίδιο περίπου γεωγραφικό πλάτος και Δυτικά από την Μητρόπολη της Μακεδονίας, Θεσσαλονίκη με την οποία και συνδέεται οδικά μέσω Καστανιάς – Βέρμιο 150 χλμ ( παλαιός δρόμος) μέσω της Εγνατίας οδού (νέο οδικό δίκτυο), και επίσης μέσω Έδεσσας, 140 χλμ . Πιο συγκεκριμένα είναι βόρεια της Κοζάνης σε απόσταση 28 χιλιομέτρων, ανατολικά της Καστοριάς σε απόσταση 55 χιλιομέτρων, νότια, νοτιοανατολικά της Φλώρινας σε απόσταση 54 χιλιομέτρων και νοτιοδυτικά της Έδεσσας σε απόσταση πάλι 54 χιλιομέτρων περίπου. Στους νέους στρατηγικούς σχεδιασμούς υπάρχουν σκέψεις να συντομευθεί ο δρόμος Καστοριάς – Πτολεμαΐδας, μέσω διάνοιξης οδών από την Κλεισούρα.
Το έδαφός της είναι εύφορο καθώς είναι χτισμένη σε οροπέδιο σε υψόμετρο 600 μ. και έχει πλούσιο υδροφόρο ορίζοντα. Το κλίμα της χαρακτηρίζεται ως εύκρατο, εύκρατο – ηπειρωτικό. Το χειμώνα η θερμοκρασία φτάνει ακόμα και κάτω από το μηδέν, με έντονο το φαινόμενο των βροχοπτώσεων αλλά και των χιονοπτώσεων κυρίως τους μήνες του Δεκεμβρίου αλλά και του Ιανουαρίου. Το φθινόπωρο η θερμοκρασία είναι χαμηλή με συχνές βροχοπτώσεις και έντονη συννεφιά. Την άνοιξη παρατηρείται μια αύξηση της θερμοκρασίας κυρίως προς τα τέλη του Μαΐου με μικρή συχνότητα βροχοπτώσεων. Το καλοκαίρι η θερμοκρασία μπορεί να φτάσει τους 38-39 βαθμούς Κελσίου.
Τον Ιανουάριο του 1963 η Εθνική Μετεωρολογική Υπηρεσία κατέγραψε στην Πτολεμαΐδα την χαμηλότερη θερμοκρασία στην Ελλάδα, που αποτελεί ως και στις μέρες μας το απόλυτο θερμοκρασιακό αρνητικό ρεκόρ, με τιμή -27,8°C ,καθιστώντας την Πτολεμαΐδα και την Εορδαία την ψυχρότερη πόλη και κατοικήσιμη περιοχή αντιστοίχως στη χώρα.