Kiel ligger på begge sider av Kielfjorden, som danner en naturlig havn ved Østersjøen. Vannskillet mellom Nordsjøen og Østersjøen går gjennom de sørlige bydelene, slik at de to elvene i byområdet, Schwentine og Eider, munner ut i henholdsvis Kielfjorden og Nordsjøen. I bydelen Holtenau ligger den østlige inngangen til Kielkanalen (Nord-Ostsee-Kanal). Området er preget av moreneåser, som øst for byen danner det Holsteinske Sveits.