Общината се намира в североизточната част на област Стара Загора. С площта си от 96,524 km2 е най-малката сред 11-те общини на областта, което съставлява 1,87% от територията на областта. Границите ѝ са следните:

на север и изток – община Гурково;
на юг – община Стара Загора;
на запад – община Мъглиж;
Природни ресурси
Релеф
Релефът на общината е равнинен и нископланински, като територията ѝ попада в пределите на Стара планина, Казанлъшката котловина и Средна гора, със средна надморска височина около 380 m.

В най-северната част на общината се простират южните склонове на нископланинския рид Дебелец, крайно южно разклонение на Тревненска планина, част от Средна Стара планина. Най-високата му точка в пределите на общината е връх Здравеца 834,8 m, разположен в крайния северозападен ъгъл на общината.

Южно от него в пределите на общината попадат крайната източна част на Казанлъшката котловина. В нея, източно от град Николаево, на границата с община Гурково, в коритото на река Тунджа се намира най-ниската ѝ точка – 268 m н.в.

Южната третина на общината се заема от северните склонове на Сърнена Средна гора. Тук максималната височина е връх Морулей 895,2 m, разположен на около 3 km южно от село Елхово, на границата с община Стара Загора.

Води
Основна водна артерия на община Николаево е река Тунджа, която протича през нея от запад на изток с част от горното си течение. Източно и североизточно от град Николаево, през територията на общината протича най-долното течение на Радова река, ляв приток на Тунджа. В непосредствена близост до общината се намира язовир Жребчево, малко използван от местната общност ресурс. Общата площ на водните течения и водни площи е 4807 дка, 3078 дка от които са рибарници.

Климат
Община Николаево попада в преходно-континенталната климатична област. Климатът е повлиян от разположението ѝ между двете планински вериги на север – Стара планина и на юг – Средна гора. Ограниченото влияние на северните въздушни маси е предпоставка за сравнително меката зима и лято без големи горещини. Валежите са около средните за страната. Зимата е сравнително мека, снежната покривка е сравнително неустойчива. Този климат е подходящ за развитие на земеделието и отглеждане на трайни насаждения, зърнени и технически култури. През летните месеци се наблюдават значителни засушавания. Като цяло средногодишните количества валежи са достатъчни за пасищата и другата естествена тревна растителност, но са в недостиг за селското стопанство.

Почви
Почвите в района са разнообразни като превес имат кафявите и кафявите горски почви. Те са подходящи за отглеждане на трайни насаждения, етерично-маслени и технически култури, както и някои видове зеленчуци.

Околна среда
Като цяло околната среда в община Николаево е относително добре съхранена. Разположението и в полите на Стара планина и по склоновете на Сърнена Средна гора и изключително ограниченото производство на единственото голямо промишлено предприятие – фирма ЕЛПО, предполагат чистота на въздуха, водата и почвите. Близостта до две планини, изобилието на зелени площи и водни басейни, както и липсата на големи промишлени замърсители определят околната среда в общината като чиста и приветлива. Има добри условия за опазване на жизнена биологична структура на средата. Общината е богата на подпочвени води. В землището на село Нова махала расте осенът – един от защитените дървесни видове, а в района на Николаево има блатен аир. В землището на с. Едрево гнезди сивата чапла, която се числи към защитените животински видове.