Orta Anadolu’nun Yukarı Kızılırmak bölümünde yer alan Melikgazi toprakları kıvrımlı yapıda ve birbirine paralel üç dağ sırası ile bunların arasındaki platolar ve çöküntü havzaları ile biçimlenmiştir.
İlçenin yüzölçümü 440 km2 dir. Türkiye’nin en yüksek dağlarından olan Erciyes Dağı da yakın zamana değin volkanik püskürmelerle çevresindeki platoların yapısını etkilemiştir. İlçenin güneyinde tek bir kütle durumunda yükselen Erciyes üçüncü zamanın ortalarından başlayarak çeşitli dönemlerde etkinlik gösteren lav ve tüf püskürten eski bir yanardağdır. 3917 m. yüksekliğindeki Erciyes Dağı türlü yaşlardaki volkanlardan oluşuk bir küme olarak nitelenmektedir.
İlçenin batısında İncesu, Hacılar ile Kocasinan ilçesinin bir kısmı, doğusunda Bünyan, güneyinde Talas, kuzeyinde Kocasinan ilçesi bulunmaktadır.
Melikgazi iklimi bozkır iklimi özelliklerine sahiptir. Burada yazlar sıcak ve kurak, kışlar soğuk ve kar yağışlı geçer. İlçe iklimi yükseltiye bağlı olarak yer yer farklılıklar göstermektedir. Yıllık sıcaklık ortalaması 10,8 derecedir. Kimi aylar sıcaklık ortalamasının sıfır derecenin altına düştüğü de gözlenebilir. Yıllık yağış ortalaması 366,1 mm.’dir. Ortalama rüzgar hızının 1.8 m/sn olduğu ilçede egemen rüzgar yönü yıl içinde 2212 kez esen kuzeybatıdır. Bunu batı ve güney rüzgarları izler. En hızlı rüzgar 45.0 m/sn. hızla esen doğu-güneydoğudur.
Bölge Antik çağda orman bakımından zengindir. Eskiden Erciyes çevresinin ormanlık olduğu ve keresteciliğin önemliliği belirtilmektedir. Bugün ise Erciyes’in büyük bir kısmı steplerle kaplıdır. Bölge günümüzde orman örtüsü bakımından oldukça fakir ilçelerden biridir. Hisarcık Kasabası, Tekir Yaylasında ve civarında yaylaklar olup, bu yerler Tarım İl Müdürlüğü tarafından göçerlere verilmektedir. Ayrıca Yeşilyurt, Bağpınar, Özlüce, Kayabağ, Subaşı, K.Bürüngüz köyleri ile Ağırnas, Mimarsinan, Turan ve Gesi Kasabalarında mera bulunmakta ve bu yerler köylünün hayvanlarının otlamasına ancak yetmektedir.