La città sorge su una lunga e stretta penisola situata sulla costa tirrenica, di fronte alle isole Eolie, nella punta nordorientale della Sicilia.

L’abitato si concentra nell’istmo a sud della lingua di terra, in corrispondenza di un’insenatura protetta in cui si apre il porto. L’estremo settentrionale della penisola è costituito da una verdeggiante terrazza circondata dal mare che ospita coltivazioni, frutteti ed oliveti. Sui due versanti della penisola, le spiagge: quella di ponente è un lunghissimo litorale ciottoloso a nord del quale si apre la Grotta di Polifemo, luogo dove secondo la leggenda Ulisse avrebbe incontrato il ciclope. Di fronte al porto, sul versante orientale, si apre invece la distesa sabbiosa della Baia del Tono, conosciuta come Agonia; i resti di un’antica tonnara, inglobati nella struttura portuale, sono ancora visibili. Sempre sulla costa, ad est del centro urbano si trova la raffineria: l’area occupata dal complesso industriale è vasta quanto quella dell’abitato ed è fornita di un sistema di scali marittimi autonomo. A sud del centro urbano, nell’immediato entroterra si apre infine la vasta pianura dell’agro milazzese, disseminata di piccole frazioni industriali, alternate alle contrade rurali con ampi terreni destinati all’agricoltura.