A una altura de 1200 m sobre el nivel del mar. Se encuentra en el extremo norte del estado a 280 kilómetros de la capital sonorense. La ciudad está conectada con el resto de México por la Carretera Federal 15 de México, que de hecho es conocida también como la Carretera México – Nogales, y asimismo, como Carretera Internacional.
El territorio municipal es generalmente montañoso. Está constituida por dos corrientes hidrológicas: la que nace al sur en el cañón de los Alisos que da origen al río Magdalena. El río Magdalena forma parte de la cuenca del Río de la Concepción, que surca la región del desierto del Altar y el arroyo de Nogales, que se une al río Santa Cruz, cuyas aguas se internan en el territorio estadounidense para formar parte de la cuenca del río Gila.
Cerro de la pirinola
Cima del cerro
El arroyo de Nogales se forma sin ayuda de manantiales y es de escurrimiento violento en las épocas de lluvias y seco el resto del año. Nogales se surtía de agua potable con las aguas subterráneas del arroyo Nogales, de pequeña cuenca de alimentación, por lo que al aumentar la población, se tuvo necesidad de aprovechar el agua del río Santa Cruz, el cual se forma en los Estados Unidos, penetra a territorio mexicano, uniéndose los arroyos de Terrenate y Cuitaca, cruzando la frontera por un lado cercano de Nogales; vuelve al territorio de Arizona, donde se junta con el San Pedro, como afluente del río Gila.
El clima de Nogales es semiseco templado, con lluvias en verano, temperaturas máximas de 35 °C, en verano y mínimas que han alcanzado hasta los −10 °C en invierno, dando como resultado grandes nevadas y veranos calurosos, pero nunca tan calurosos como en el desierto de Sonora, ya que, la ciudad está situada a más de 1000 metros sobre el nivel del mar. La precipitación se registra principalmente en los meses de verano, aunque existe una pequeña época de lluvias en invierno, principalmente en los meses de diciembre y de enero, donde se presentan nevadas, aunque ha llegado a nevar hasta en mayo (1976).
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