เชเลียบินสค์ตั้งอยู่ทางตะวันออกของเทือกเขายูรัล ห่างจากเยคาเตรินบุร์กไปทางใต้ 199 กม. ระดับความสูงจากน้ำทะเล 200–250 เมตร

เมืองถูกแบ่งออกเป็นสองส่วนโดยแม่น้ำมิอัสซึ่งถือเป็นพรมแดนระหว่างเทือกเขายูรัลและไซบีเรีย ซึ่งลักษณะทางธรณีวิทยาของพื้นที่มีเนินเขาหินแกรนิตเตี้ย ๆ ของเทือกเขายูรัลทางด้านตะวันตกและหินตะกอนชั้นล่างของที่ราบไซบีเรียตะวันตกอยู่ทางทิศตะวันออก

"สะพานเลนินกราด" เชื่อมต่อทั้งสองด้านดังนั้นจึงเรียกว่า "สะพานแห่งเทือกเขายูรัลกับไซบีเรีย" เชเลียบินสค์ยังเป็นที่รู้จักกันในนาม "ประตูสู่ไซบีเรีย"[25]

เช่นเดียวกับกรุงโรม, คอนสแตนติโนเปิล และมอสโก กล่าวกันว่าเชเลียบินสค์ตั้งอยู่บนเนินเขาทั้งเจ็ด[26]