เมืองปิตราปัฟลัฟสค์-คัมชัตสกีตั้งอยู่ค่อนลงมาทางด้านใต้ของคาบสมุทรคัมชัตคาทางด้านตะวันออก เวลาท้องถิ่นของเมืองนั้นไวกว่ามอสโกซึ่งเป็นเมืองหลวงของรัสเซียที่อยู่ห่างกัน 6,766 กิโลเมตรถึง 9 ชั่วโมง

สภาพแวดล้อมโดยรอบของเมืองเป็นแนวทิวเขาจนแทบไม่มีจุดใดจากในตัวเมืองสามารถมองเห็นเส้นขอบฟ้าได้ จุดที่เมืองตั้งเป็นบริเวณที่ราบขนาดแคบ ๆ ลาดลงสู่ทะเลสลับเนิน อ่าวอะวาชาซึ่งเป็นทางออกสู่มหาสมุทรแปซิฟิกนั้นมีสภาพเกือบคล้ายลากูนด้วยมีช่องทางติดต่อกับมหาสมุทรแปซิฟิกเพียงแคบ ๆ ห่างจากตัวเมืองไปทางตะวันตกเฉียงเหนือราว ๆ 30 กิโลเมตรเป็นที่ตั้งของภูเขาไฟสามลูกเรียงตัวกันในแนวตะวันตกไปยังตะวันออกคือ ภูเขาไฟคาเรียคสกี (Koryaksky Volcano) ภูเขาไฟอะวาชินสกี (Avachinsky Volcano) และ ภูเขาไฟคาเซลสกี (Kozelsky Volcano) โดยภูเขาไฟทั้งสามลูกนี้ไม่ค่อยปะทุบ่อยนักและถูกเรียกกันว่า Home Volcanoes ถือเป็นสัญลักษณ์ที่สำคัญอีกอย่างหนึ่งของเมืองซึ่งประกอบอยู่ในตราเมืองเช่นกัน

ภูมิอากาศของปิตราปัฟลัฟสค์-คัมชัตสกีได้รับอิทธิพลจากความชื้นของมหาสมุทรแปซิฟิกค่อนข้างมาก ทำให้อากาศไม่ค่อยหนาวเย็นรุนแรงนักแม้จะอยู่ในไซบีเรีย มีอุณหภูมิเฉลี่ยในเดือนมกราคมเพียง -7 องศาเซลเซียส (ส่วนอื่นของไซบีเรียสามารถมีอุณหภูมิต่ำได้ถึง -30 องศาเซลเซียสในช่วงเดียวกัน) อากาศจะเริ่มหนาวเย็นลงได้ตั้งแต่ช่วงปลายเดือนกันยายนและเริ่มมีหิมะได้ตั้งแต่เดือนตุลาคมและหิมะสามารถคงอยู่โดยไม่ละลายได้จนถึงราวกลางมิถุนายน ในบางช่วงของฤดูหนาวหิมะสามารถตกลงมาสะสมเป็นปริมาณที่สูงมากและน้ำทะเลในบางส่วนของอ่าวอะวาชาสามารถจับตัวเป็นน้ำแข็งได้ ช่วงหน้าร้อนจะมีเพียงระยะสั้นไม่เกินสามเดือนโดยอุณหภูมิจะเป็นแบบอบอุ่นเฉลี่ยระดับ 15-16 องศาเซลเซียส

ด้านธรณีวิทยา เมืองเคยได้รับผลกระทบจากแผ่นดินไหวบ่อยครั้งเนื่องจากอยู่ในแนวขนานกับรอยเลื่อนคูริล-คัมชัตคา (อังกฤษ: Kuril–Kamchatka Trench) ที่อยู่ใต้มหาสมุทรแปซิฟิกซึ่งวางตัวในแนวเหนือ-ใต้จากหมู่เกาะคูริลทางด้านใต้ของคาบสมุทรขนานมาจนถึงครึ่งนึ่งของความยาวคาบสมุทรทั้งหมด ที่ผ่านมาบางครั้งเคยเกิดแผ่นดินไหวระดับมากกว่า 7 ริกเตอร์ในมหาสมุทรแปซิฟิกไม่ห่างจากเมืองมากนัก[3] ด้วยเหตุนั้นอาคารต่าง ๆ ในเมืองนอกจากไม่สร้างให้มีความสูงมากแล้วยังต้องสร้างให้รับแรงสั่นสะเทือนของแผ่นดินไหวได้ด้วย