Gagauzia este situată în partea de sud a Republicii Moldova, pe teritoriul stepei Bugeac, care face parte din câmpia sudică a Moldovei. Teritoriul de stepă este caracterizat prin văi largi, versanți și numeroase râuri. Relieful regiunii este caracterizat de stepe și mici dealuri, precum și de multe râuri care curg în direcția sud-est: Ialpug, Ialpugel, Lunga și Lunguța, care seacă în sezonul estival. Ca și Moldova, Găgăuzia este situată în zona seismică a Carpaților.
Suprafața terenurilor agricole este de aproximativ 150.000 de hectare. Practic, pe tot teritoriul se găsește cernoziom, care afectează favorabil sectorul agrar al Găgăuziei.
Clima regiunii este blândă și caldă, temperatura este de aproximativ 10 ℃ sau mai mult, și persistă timp de 179-187 zile calendaristice. Zile însorite sunt mult mai multe față de alte regiuni din Republica Moldova. Nivelul mediu de precipitații pe an în regiune este de 350-370 mm.
Teritoriul autonomiei este foarte des expusâ vânturilor, coeficientul geotermic fiind de 0,7-0,8.
Resursele de apă din Găgăuzia sunt reprezentate de surse subterane, al căror volum este de 8-10 milioane m³. Există, de asemenea, două mari rezervoare pe teritoriu: lacul Comrat, cu o suprafață de 1,7 km² și lacul Congaz, cu o suprafață de 4,9 km².
Pe teritoriul Găgăuziei se regăsesc o cantitate mică de resurse minerale. Acestea sunt reprezentate în principal de nisip, argilă, precum și depozite de cărbune maro, ce conține impurităț extracția căruia nu este rentabilă.