Город Касимов расположен в центре Восточно-Европейской равнины на северо-востоке Рязанской области, в 165 км от Рязани по автодороге (по прямой 111 км), в 262 км от Москвы, на 54°56' северной широты и 41°21' восточной долготы. До границы с Владимирской и Нижегородской областями около 30 км, однако попасть на территорию второй из Касимова можно только через Ермишь или Муром, поскольку в данном районе отсутствуют какие-либо переправы через Оку.

Город стоит на левом берегу Оки на высоких холмах, изрезанных оврагами. Река изгибается в этом месте в виде большой петли и имеет ширину около 380 метров. Близ города находится Окский биосферный заповедник.

Касимов является крайней восточной точкой Мещёрской низменности; на противоположном от него берегу Оки начинается другое географическое пространство — Окско-Донская равнина.