Bilecik Marmara Bölgesinin güneydoğusunda Marmara, Karadeniz, İç Anadolu ve Ege Bölgelerinin kesim noktaları üzerindedir. 39° ve 40° 31’ kuzey enlemleri ile 29° 43’ ve 30° 41’ doğu boylamları arasında bulunmaktadır. Doğudan Bolu ve Eskişehir güneyden Kütahya, batıdan Bursa, kuzeyden Sakarya illeri ile çevrilidir.
Bilecik 4321 km²’lik alanı ile Türkiye’nin küçük illerinden biridir. Alan sıralaması bakımın-dan 65. sırada yer almaktadır. Merkez ilçenin yüzölçümü 844 km²’dir.Bilecik ili toprakları tepelik alanlar, dik ve derin vadilerle yarılmış aşınım düzlükleridir. Kuzey Anadolu kenar dağları, yani, Karadeniz dağlarının başlangıç merkezi, İç Anadolu platolarının başlangıç yeri, Marmara Bölgesinin ise kıyı ve akarsu çanak tabak ovalarının sona erdiği alanlarının tamamı ilin sınırları içerisindedir.
Kuzey Anadolu dağlarının denizden içeriye doğru ikinci serisi olan Köroğlu Dağları ilin topraklarında başladığından arazinin batıdan doğuya doğru birden yükselmesine neden olur. Bu yükselti güneye doğru inildikçe dalgalı bir görünüm alır. Bozüyük Ovası ve Sakarya ırmağı ile kuzey-güney yönünde iki bölüme ayırır. Dağlar bu ırmağın her iki yakasında devam eder.
Bilecik ilinin deniz seviyesinden yüksekliği 500 metredir. Güneydoğuya Karasu vadisine gidildikçe yükseklik azalmaktadır. Nitekim bu vadide kurulu İstasyon Mahallesinin denizden yüksekliği 200 metreye kadar iner. Karasu ırmağı, Bozüyük’ten doğar. Bilecik merkez ilçe sınırları içine Karasu Boğazından girer. Bu noktadan 500 metre sonra Vezirhan’da Sakarya Irmağına kavuşur. Debisi düzensizdir. 0,9 m³/sn ile 72,6 m³/sn arasında değişmektedir. Ortalama debi 3,6 m³/sn’dir.