Mykolaiv está localizado em uma península na região das estepes, a 65 km do Mar Negro.
Mykolaiv está em uma área de terreno plano (a região produtora de estepes do sul da Ucrânia). As montanhas mais próximas a cidade estão a 300 quilômetros ao sul, no extremo sul da Península da Crimeia. A falta de barreiras naturais ao norte de Mykolaiv, acarreta que ventos árticos podem soprar para o sul da cidade, desimpedidos de qualquer elevação de terreno, tornando a cidade uma localidade com temperaturas mais frias.[2]