Comune di superficie medio-grande, Osimo si estende su un territorio collinare.
Il suo centro storico sorge su due colline affiancate, la più alta delle quali, su cui sorge il Duomo della città, si chiama Gòmero. L'avvallamento fra le due colline, un tempo visibile nella linea del centro storico, è stato pareggiato sempre più ad ogni rifacimento del manto.
Il terreno è abbastanza fertile e favorisce l'agricoltura. A circa 3 km scorre il fiume Musone.
A poca distanza si trova anche la costa adriatica.
Appena fuori le mura del centro storico di Osimo sono riconoscibili due quartieri:
- Borgo San Giacomo, a nord-ovest di Osimo;
- Borgo Guarnieri (prima detto Filello): situato a sud del centro storico, appena fuori porta Musone. Il Borgo è costituito da una serie di casette un tempo tutte uguali, fatte costruire nel Cinquecento dalla nobile famiglia Guarnieri per le persone addette al suo servizio.
Attualmente esistono due ipotesi sull'origine del toponimo "Osimo". Alcuni storici, tra i quali il Grillantini, sostengono che il nome derivi dal termine greco "αὑξάνω", confermato poi dal latino "augeo" e poiché i due verbi hanno il significato di accrescere, gli studiosi ritengono che Osimo debba significare "accrescimento", intendendo così quel fenomeno per cui una località, grazie alla sua favorevole posizione geografica, subisce nel tempo uno sviluppo dal punto di vista urbanistico, economico, sociale e culturale.
Secondo l'altra ipotesi, sostenuta da storici quali il tedesco Radke e Gino Vinicio Gentili, il toponimo avrebbe un'origine umbro-sabina (quindi legata alle genti picene), analoga al celtico "Uxama", che significa "alta", "elevata": il nome starebbe pertanto ad indicare la posizione geografica su cui sorge l'abitato, che un tempo si presentava molto più scoscesa e di difficile accesso rispetto ad oggi.
Nel dialetto locale di campagna la città si chiama Òsemo (o Òsemu); oggi gli osimani e gli abitanti della zona la chiamano comunemente Òsimo.
