Площадь, которую занимает город, составляет 25,13 кв. км. (0,102% от общей территории области).

Рельеф Первомайска - это холмистая равнина, разрезанная долинами и балками на отдельные водоразделительные плато. Местность региона имеет слабый уклон в юго-восточном направлении. Средняя высота над уровнем моря - 200 м.

Внутренние воды региона используются для получения электроэнергии.

Город расположен на грани степи и лесостепи в регионе, который по сравнению с другими регионами области богатый водными ресурсами. По его территории течет одна из крупнейших рек Украины - Южный Буг. Левый приток Ю.Буга - река Синюха, левый приток Синюхи - Черный Ташлык; правый приток Ю.Буга - р. Кодыма. Река Южный Буг - третья по величине река Украины (после Днепра и Днестра), которая свой разбег к Черному морю начинает в самом центре Волыно-Подольского региона. Длина ее от истока к устью - 800 км, голубая дорожка пролегает по землям нескольких областей: Хмельницкой, Кировоградской, Одесской, Николаевской.

Климат региона умеренно-континентальный, по количеству осадков его можно отнести к теплой умеренно-сухой зоне.