Cecina liegt 40 km südlich von Livorno am Tyrrhenischen Meer, im Norden der Maremma-Ebene.
Der gleichnamige Fluss Cecina mündet im nördlichen Teil der Gemeinde ins Meer. Cecina besteht im Wesentlichen aus zwei Stadtteilen: der eigentlichen Stadt Cecina einige Kilometer in Landesinneren und Cecina Mare direkt an der Küste (auch Marina di Cecina genannt).
Das Seebad Cecina Mare besitzt eine Küstenpromenade mit Sandstrand, Kneipen und Nachtleben. Der Strand ist in diesem Abschnitt ist zum Teil kostenpflichtig. Freie Strände und Campingplätze befinden sich im südlich angrenzenden Küstenabschnitt entlang des Pinienwaldes. Der dichte, parallel zur Küste verlaufende Wald aus Pinien, Aleppo-Kiefern und Macchia wurde ursprünglich zum Schutz des landwirtschaftlich genutzten Inlandes vor dem Meereswind angelegt. Er zieht sich über ca. 15 km von Norden (Mündung des Flusses Cecina) bis zur Nachbargemeinde Bibbona hin und sorgt vor allem im Sommer für angenehme Abkühlung. Das auch viele Tierarten beherbergende Gebiet steht seit 1977 unter Naturschutz (Riserva Statale Tomboli di Cecina).
