Общината се намира в източната част на област Бургас. С площта си от 350,084 km2 заема последното 13-о място сред общини на областта, което съставлява 4,52% от територията на областта. Границите ѝ са следните:

на север и северозапад – община Созопол;
на югозапад – община Малко Търново;
на югоизток – община Царево;
на изток – Черно море.
Релеф, води, климат
Релеф
Релефът на общината е преобладаващо ниско планински. Цялата община попада в най-северните разклонения на планината Странджа. Повече от половината от територията ѝ, в южната част се заема от северните склонове на странджански рид Босна с най-висока точка връх Живак (453 m), разположен в най-югозападната част на общината. Северната част се заема от южните разклонения на Медни рид с максимална височина връх Лободово кале (314 m). На североизток, на полуостров Маслен нос се издига ниския рид Китка (Узунджа баир) с връх Китка (215 m). По долините на реките има малки долинни разширения, най-голямо от които е това по долното течение на Дяволска река, западно от град Приморско.

Води
Цялата територия на общината попада в Черноморския водосборен басейн. През нея частично или изцяло протичат три по-големи реки, които директно се вливат в Черно море. В северна част преминава средното и долно течение на река Ропотамо. От югозапад на североизток, а след село Ясна поляна – на изток през общината преминава цялото течение на Дяволска река. В най-югоизточната част на общината, южно от град Китен преминава най-долното течение на Китенска река (Караагач) и най-големият ѝ приток (ляв) Узунчаирска река. На Дяволска река, над село Ясна поляна е изграден големия язовир Ясна поляна, водите на който се използват предимно за водоснабдяване на цялото ни Южно Черноморие. Друг по-голям язовир е „Веселие“, разположен на един малък ляв приток на Ропотамо, югоизточно от село Веселие. Северозападно от устието на Ропотамо се намира блатото Аркутино, а северно и югозападно от Приморско – блатото Стомопло и Дяволското блато, като и трите блата са важни орнитологични места.

По крайбрежието на заливите Стомопло (на север от Приморско) и Дяволския (между Приморско и Китен) се простират обширни плажни ивици.

Климат
Климатът на общината се формира под континенталното влияние от север и запад, черноморското от изток и средиземноморското от юг. Други важни фактори, за формирането на изключително благоприятните климатични условия са ниската надморска височина и високата залесеност на Странджа планина. Климатът на общината е умерено континентален с подчертано черноморско и средиземноморско влияние, характерен с мека и къса зима и продължителни и прохладно лято. При надморска височина средно от 16 – 40 m, атмосферното налягане се движи от 712 до 783 mm. Средната температура за територията на общината през последните 10 години е 13,4 °С, а годишната амплитуда в района е една от най-ниските в страната – 19 °С.

Валежите имат есенно – зимен максимум и летен минимум, като годишната им стойност е 500 l/m2. Снежната покривка е краткотрайна със средна продължителност 15 – 17 дни и дебелина 5 – 10 cm. От месец май до месец октомври има слънцегреене с продължителност 1700 слънчеви часа.