Расположен на побережье Чёрного моря, на берегу Коктебельского залива, у подножия вулканического массива Карадаг. Коктебельский залив открыт в направлениии на юго восток, с востока ограничен узким мысом Киик-Атлама, на оконечности которого расположен посёлок городского типа Орджоникидзе. Гора Карадаг ограничивает залив с юго-запада и покрыта лесом, богатым ценными растениями и животными. Гора является заповедником и доступ туда открыт только с экскурсиями.

С севера и востока Коктебель окружают степные горы с отдельными вкраплениями виноградников. На северо-западе высится скалистая гора Татар-Хабурга (высота 236 м) и более низкие горы Малка (высота 123 м) и Эгер-Оба (высота 116 м), последние практически примыкают к постройкам посёлка. На севере от города расположен хребет Узун Сырт с верхней точкой горой Клементьева. Часто дующие устойчивые ветры с моря создают на этой горе восходящие потоки воздуха, делая это место чрезвычайно удобным для планеризма, который активно развивался и в советское время, и в настоящем в самых различных формах (дельтапланы, парапланы и т. д.).

С конца XIX века Коктебель превратился в популярное место летнего отдыха. Особую роль в развитии Коктебеля сыграл поэт и художник Максимилиан Волошин. Он постоянно поселился в Коктебеле и на его даче гостили многочисленные поэты, писатели и другие люди искусства, у него в доме в разное время проживали Алексей Толстой, Викентий Вересаев, Марина Цветаева, Николай Гумилёв, София Парнок и многие другие известные деятели культуры.