Karadeniz ve Doğu Anadolu bölgelerini batıya bağlayan yol üzerinde bulunan Osmancık, Çorum il merkezine 55 km uzaklıktadır. Çorum-Kargı ile Samsun-İstanbul yollarının kavşak noktasındadır. İlçe merkezinin rakımı 420 m., yüzölçümü 1.187 km² ´dir.

Arazi yapısına metaformik ve volkanik kütleler hakimdir. Ayrıca tortul kütlelere de rastlanmaktadır. Üçüncü zamanın en önemli kütlelerinden olan jips, kireç taşı ve kaya tuzu yataklarıyla, karbon miktarı % 5 oranına kadar yükselen zengin linyit yataklarına rastlanmaktadır. Yaylabaşı ve Kumbaba köyleri linyit bakımından zengindir ve özel işletmeler linyit üretim faaliyetlerini sürdürmektedir.

Osmancık, jeolojik yapısı nedeniyle "Kuzey Anadolu Fay Hattı" üzerinde olduğundan 1. derecede deprem kuşağında yer almaktadır. Osmancık aynı zamanda İstanbul, Erzurum ve devamı İran´a kadar uzanan tarihi İpek Yolu´nun üzerindedir. Bugün Doğu Anadolu´yu ve Karadeniz´i İstanbul´a bağlayan en kestirme otoban Osmancık´tan geçer. Bu yolun bir özelliği daha vardır. İran´dan İstanbul´a kadar Kuzey Anadolu Fay Hattını takip eder. Osmancık, 1. derece deprem kuşağındadır.

İlçenin en önemli vadisi Kızılırmak Vadisidir. Çok verimli olan bu vadi boyunca irili ufaklı tepeler ve dağlar, Kızılırmak'a paralel olarak uzanır. Bu dağların en önemlileri Çal ve Ada dağlarıdır. Çal Dağlarının en yüksek tepesi "Büyük Çal" 1.750 metre, Adadağ serisinin en yüksek tepesi Dedeçal 1.770 metre'dir. Osmancık'ı çevreleyen dağların en yükseği 1.864 m. ile İnegöl dağıdır.

İç Anadolu ve Karadeniz arasında geçiş iklimi olduğundan ılıman iklim yapısına sahiptir. Genel olarak yazlar sıcak ve kurak, kışlar ise ılık ve yağışlıdır. İlkbahar ve sonbahar uzun sürer. Yağışlar genellikle ilkbaharda görülür. Yıllık ortalama yağış miktarı 368 mm. dir.

Osmancık oldukça zengin bir akarsu ağına sahiptir. Bu ağın en büyük akarsuyu Kızılırmak'tır. Bu nehrin Osmancık sınırları içindeki uzunluğu 80 km.dir. Osmancık'a girmeden ve girdikten sonraki toprak yapısı nedeniyle rengi kızıl, yer yer kirli sarıdır. Kızılırmak'a karışan diğer akarsular Kavşak Çayı, İncesu Deresi, Karalar ve Yukarızeytin dereleridir.

Bitki örtüsü dağlık bölgelerde çam, meşe ve ardıç ormanları, bunların dışında kalan yerlerde ise stepler şeklindedir.