Климат в районе города континентальный с резкими колебаниями температуры воздуха по временам года. Донецкий кряж задерживает поступление холодного воздуха с северо-восточными ветрами, поэтому здесь значительно холоднее, чем на Азово-Кубанской низменности. В июле температура воздуха колеблется от +20 до +40ºС, в январе – от -25 до -5ºС. Среднегодовое количество осадков – 415 – 450 мм, причем около 40% осадков выпадает в летнее время года. Среднее их количество в июле – около 40 мм, в октябре – до 66 мм.

Территория города представляет собой слегка холмистую безлесную равнину, прорезанную балками и речными долинами. Здесь протекает четыре реки: Грушевка, которая делит город на две неравные части, Кадамовка, Атюхта, Семибалочная. Помимо этого, на территории города имеется более двадцати различных водоемов. Крупнейший из них - Артемовское водохранилище длиной более 2-х км, созданное в конце 20-х годов прошлого века для охлаждения турбин Шахтинской ГРЭС им. Артема. В районе села Поповка находятся Лисичкины озера, являющиеся памятниками природы. По окраинам город окружен крупными зелеными массивами, где произрастают акация, тополь, сосна и другие породы деревьев. Большие площади заняты садовыми участками.

Недра окружающего Шахты Октябрьского сельского района содержат разнообразные полезные ископаемые, в основном минеральное сырье - уголь, глину, песок, строительный камень. В районе города расположены Артемовское, Шахтинское, Октябрьское, Власевское месторождения глин и суглинков, используемых в производстве кирпича. Важнейшим полезным ископаемым территории является антрацит Восточного Донбасса, запасы которого оцениваются в 307,7 млн. тонн. Помимо этого, на территории района найдено одно золоторудное проявление площадью 4,5 км² и целый ряд мелких. Техногенные формы рельефа представлены шахтными терриконами, которые стали характерной деталью современного пейзажа города Шахты. Их размеры от 20 до 60 м в поперечнике оснований. В городе и его окрестностях находится более 50-ти терриконов.