Położenie Kutaisi leży w środkowej części zachodniej Gruzji, we wschodniej części Niziny Kolchidzkiej, u podnóża Wielkiego Kaukazu. Miasto rozwinęło się na obu brzegach Rioni, w miejscu, w którym rzeka opuszcza bardziej urzeźbione obszary wyżynne i wpływa na równinę. Wysokość terenu w granicach miasta wynosi od około 125 do 300 m n.p.m..
Historyczne centrum znajduje się w pobliżu lewego brzegu Rioni, wokół placu Dawida Budowniczego i przylegającego do niego parku miejskiego. Na prawym brzegu wznosi się wzgórze Ukimerioni z katedrą Bagrata i pozostałościami dawnego zespołu obronnego. Kutaisi jest oddalone o około 220 km na zachód od Tbilisi oraz około 150 km na północny wschód od Batumi.
Miasto stanowi odrębną jednostkę samorządu terytorialnego i jest administracyjną stolicą Imeretii. Otaczają je tereny gmin Ckaltubo, Terjola, Baghdati i Choni.
Klimat Kutaisi znajduje się w strefie wilgotnego klimatu podzwrotnikowego, według klasyfikacji Köppena oznaczanego symbolem Cfa. Na warunki klimatyczne wpływają bliskość Morza Czarnego, położenie na Nizinie Kolchidzkiej oraz otaczające miasto pasma górskie. Lata są gorące i wilgotne, natomiast zimy stosunkowo łagodne i deszczowe.