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Bremerhaven liegt an den Mündungen der Weser in die Nordsee und der Geeste in die Weser. Das Stadtgebiet cap eine maximale Streckung von 15 km Länge und 11 km Breite. Bremerhaven bildet zusammen mit der Bremer Exklave Stadtbremisches Überseehafengebiet Bremerhaven eine Exklave der Freien Hansestadt Bremen. Ein Teil des Bremerhavener Ortsteils Fehrmoor im Nordosten der Stadt ist, abgeschnitten durch einen schmalen niedersächsischen Landstreifen, eine Exklave der Stadtgemeinde Bremerhaven und damit eine weitere Exklave der Freien Hansestadt Bremen.

Auch wenn Bremerhaven formal „nur“ an der Weser liegt, deren Wechsel von Binnen- zu Seewasserstraße erst einige Kilometer nördlich von Bremerhaven erfolgt, und Hamburg mit der Insel Neuwerk ans Meer angebunden ist, wird Bremerhaven dennoch als „einzige deutsche Großstadt an der Nordsee“ oder auch „Seestadt“ bezeichnet, da der sich bei Bremerhaven öffnende Mündungstrichter der Weser den Eindruck der Lage direkt am Meer vermittelt.

Nachbargemeinden sind im Norden Geestland, im Osten Schiffdorf und im Süden Loxstedt. Im Westen grenzt die Stadt Bremen mit ihrer Exklave des Überseehafens an Bremerhaven. Auf der anderen (niedersächsischen) Weserseite liegt Blexen, das die Weserfähre Bremerhaven–Nordenham mit Bremerhaven verbindet.

Die Stadt liegt etwa 0,2 m bis 2 m ü. NHN. Der höchste Punkt ist eine 11,1 m hohe Erhebung im Stadtteil Leherheide (Debstedter Weg / Brunnenstraße) als Ausläufer der Hohen Lieth, einer Geest-Landschaft, die sich nördlich der Stadt zwischen Bremerhaven und Cuxhaven erstreckt. Ihr Gegenstück südlich der Geeste wird in der naturräumlichen Gliederung die Beverstedter Moorgeest genannt; zusammen sind sie ein Teil der Wesermünder Geest. Auf der sturmflutsichereren Geest liegen die meisten der alten Ortskerne des heutigen Bremerhavens: Lehe, Geestendorf und Wulsdorf. Die Weserdeiche erreichen zwischen dem Stadt- und Ortsteil Weddewarden und dem Neuen Lunesiel Höhen zwischen 6,2 m und 8,3 m.

Der andere Naturraum in Bremerhaven ist die Marsch: Wurster Marsch nördlich, Würdener Marsch südlich der Geeste als Teile der Weser-Marsch, sowie die Geeste-Marsch und die Rohr-Marsch. In der Marsch liegt der alte Ortskern von Weddewarden. Auch (Alt-)Bremerhaven wurde in der Marsch gegründet. In der Weser findet man zudem kleinere Wattflächen, die zum UNESCO-Welterbe gehören.

Die Weser, Geeste, Rohr, Lune und Aue durchfließen oder tangieren die Stadt.

Die Stadtgemeinde Bremerhaven ist in zwei Stadtbezirke (Nord und Süd) und diese in neun Stadtteile gegliedert. Die Stadtteile sind weiter in 24 Ortsteile unterteilt.

Der Überseehafen gehört seit dem 1. April 1938 zur Stadt Bremen. Die Stadt Bremerhaven übt vertraglich für das Gebiet teilweise die Kommunalverwaltung aus.

Durch die Nähe zur Nordsee ist das Klima größtenteils maritim ausgeglichen. Im Sommer sind längere Hitzeperioden mit Temperaturen von über 30 °C eher selten; im Winter liegt meist nur wenig oder gar kein Schnee, und die tiefsten Temperaturen sinken kaum unter −10 °C ab. Die Jahresmitteltemperatur beträgt ca. 9,1 °C. Im Jahresdurchschnitt fallen rund 741,5 mm Niederschlag; der meiste Niederschlag fällt im Juni und Juli. Im Februar ist es mit rund 36 mm am trockensten. Die höchste je gemessene Temperatur betrug 35,8 °C am 9. August 1992 und die tiefste gemessene Temperatur −18,6 °C am 25. Februar 1956 (Stand Oktober 2009).