Город Череповец расположен в центральной части Восточно-Европейской равнины, на юго-западе Вологодской области. Географические координаты города 59°08′ с. ш. 37°55′ в. д. (G) (O) (Я). Таким образом, Череповец удалён от столицы к северу на 527 км, от Санкт-Петербурга — к востоку на 532 км. Расстояние до областного центра — города Вологды — 140 км. Современный Череповец расположился на берегах рек, относящихся к бассейну Волги: Шексны (+Ягорба+ Серовка, +Негодяйка) и Суды (+Кошта, +Нелаза). Череповец находится на пересечении трёх транспортных путей: в 10 км к северу пролегает автодорога А114 «Вологда — Новая Ладога»; через Череповец проходит железнодорожная магистраль (Северная железная дорога); город также имеет порт на Волго-Балтийском водном пути.

Череповец — крупный промышленный порт на Рыбинском водохранилище и пассажирский порт на р. Шексне. Через систему Волго-Балтийского водного пути город имеет выходы в Балтийское, Северное, Чёрное, Азовское, Средиземное моря. Таким образом, Череповец посредством системы водного сообщения связан с северными, южными и западными регионами России. Поэтому город Череповец является портом пяти морей, имеющим стратегическое значение для страны и, в первую очередь, для материального снабжения Балтийского флота, учитывая его крайне ограниченное территориальное влияние. Это было продиктовано крайне выгодным географическим положением города Череповца при строительстве Волго-Балтийского канала, решение о строительстве которого было принято И. Сталиным. В связи с чем, позднее было принято решение построить в дельте рек Ягорба и Шексна Череповецкий судостроительный завод. Вместе с тем, местное пассажирское судоходство в настоящее время слабо развито. В тёплый период года постоянно осуществляет рейсы (1,5 часа) теплоход МО-116.

Череповецкий железнодорожный узел, расположенный на железнодорожной магистрали Санкт-Петербург — Вологда, является вторым по грузообороту на Северной железной дороге (после узла Вологда-1 — Вологда-2 — Лоста Сортировочная). Через него за сутки проходит транзитом 120 грузовых, 20 пассажирских поездов и до 30 составов, прибывающих на промышленные гиганты Череповца. В 2009 объёмы перевозок и погрузки резко упали. Узел включает в себя пассажирскую станцию «Череповец-1», грузовые станции «Череповец-2» и «Кошта».

С января 2015 года были отменены все пригородные электропоезда в Вологодской области. Это вызвало резонанс в СМИ и протесты местных жителей[39]. 6 февраля 2015 года движение электропоездов было частично восстановлено.