Город расположен на берегу Одесского залива Чёрного моря. Большая часть города, включая исторический центр, располагается на равнине, возвышающейся над морем примерно на 50 м. Площадь территории города 163 км², плотность населения 6139 чел./км². Источники питьевой воды на территории города в настоящее время — бюветные комплексы, основное снабжение водой Одессы и близлежащих окрестностей осуществляется из реки Днестр по сорокакилометровому водопроводу через водозабор в районе Беляевки. Вблизи города находятся три крупных лимана: Куяльницкий, Хаджибейский и Сухой.

На территории Одессы когда-то была расположена древнегреческая колония, остатки которой были обнаружены прямо под нынешним Приморским бульваром. Археологические артефакты подтверждают существование связей между Одесским регионом и восточным Средиземноморьем. В Средневековье территория Одессы находилась во владении различных кочевых племён (печенегов, половцев), Золотой Орды, Крымского ханства, Великого княжества Литовского, и Османской империи.

Первое письменное упоминание о поселении-предшественнике Одессы — Хаджибее (польск.: Kaczubeiow; западнорус.: Качибеев) относится к 1415 году. По одной из гипотез, город был основан в конце XIV в. великим князем литовским Витовтом. Хаджибей подпал под прямое правление Османской империи после 1529 г. и являлся частью региона, известного как Едисан, и административное правление которого находилось в Османской провинции Силистра (Ози). В середине 18-го века, турки перестроили крепость в Хаджибее (также известного как Ходжабей), которая была названа Ени-Дунья. Ходжабей был центром санджака провинции Силистра.