Das Stadtgebiet wird auf zwei Seiten von großen Gewässern eingefasst. Im Osten wird die Stadt vollständig vom tiefen Fahrwasser der Innenjade begrenzt. Im Südosten Wilhelmshavens verläuft das Fahrwasser weitere zwei Kilometer durch den Jadebusen. Im Süden liegen die Wattgebiete des Jadebusens, die zweimal täglich vom Meerwasser der Nordsee überschwemmt werden. Der Tidenhub der Jade beträgt 3,15 m – 4,33 m, das ist etwa so viel wie an der Wesermündung, ein halber Meter weniger als in Antwerpen und gut doppelt so viel wie in Rotterdam. Mit jedem Tidenzyklus strömt bei Flut fast der gesamte Wasserinhalt des Jadebusens durch die Enge des Jadefahrwassers ein und bei Ebbe wieder aus. Diese natürliche Pendelströmung spült das Fahrwasser ständig von etwaigen störenden Sandablagerungen frei. Sie ist hier wesentlich stärker als in den Flussmündungen von Elbe und Weser, und der Eintrag von Sedimenten ist geringer. Allerdings stellt der starke Ebbstrom eine große Gefahr für Badende und Benutzer kleiner, vor allem unmotorisierter Wasserfahrzeuge dar. Im Stadtgebiet gibt es 645 Hektar Wasserflächen, das sind 6,2 % der Gesamtfläche. Zum größten Teil bestehen diese Flächen aus den Hafenbecken des Innenhafens, also aus Vorhafen, Nordhafen, Ausrüstungshafen, Arsenalhafen, Verbindungshafen, Großem Hafen, Handelshafen, Kohlenhafen und Kanalhafen. Der Innenhafen wird über die größte Schleuse Deutschlands, die Seeschleuse der 4. Hafeneinfahrt, mit den Seeschifffahrtsstraßen der Nordsee verbunden. Hinzu kommt die Fläche des Banter Sees, eines Brackwassersees, der bis 1945 als West- und Zwischenhafen zum Hafengebiet gehörte. Bei Kriegsende 1945 ordneten die Alliierten an, die Hafenbecken durch Dämme aus Trümmerschutt der zerbombten Stadt unbrauchbar zu machen. Der letzte noch verbliebene Damm, der Grodendamm, trennt den Banter See vom Großen Hafen. Es entstand ein künstlicher, leicht salzhaltiger See, der eines der großen Naherholungsgebiete bildet. Auf dem Stadtgebiet beginnt bzw. endet der Ems-Jade-Kanal. Er ist eine künstliche Wasserstraße, die Wilhelmshaven über Sande und Aurich mit Emden verbindet. Die Länge des Ems-Jade-Kanals im Stadtgebiet beträgt 10,5 km. Beim Ausbau der Hafenanlagen hatte er eine große Bedeutung, da auf ihm Material wie Sand, Steine, Kohlen etc. transportiert wurde. Heute besitzt der Kanal keine wirtschaftliche Bedeutung mehr, sondern wird hauptsächlich touristisch genutzt. Der einzige Binnenfluss im Stadtgebiet ist die Maade. Mit den ihr angeschlossenen Tiefs, Zug- und Schaugräben dient sie in erster Linie der Entwässerung der tiefer gelegenen Flächen hinter den Deichen. Der Fluss mündet über ein Siel in der Nähe des Stadtteils Rüstersiel in die Jade. Dieses Maadesiel ist ein Mündungsschöpfwerk mit Seeschleuse, das die Ableitung des Flusses auch dann sicherstellt, wenn ein regulärer Wasserabfluss aufgrund der Tidenverhältnisse auf der Jade nicht möglich ist.
Das Stadtgebiet hat eine Fläche von 106,91 km². Die größte Ausdehnung in Nord-Süd-Richtung beträgt 15,5 km und in West-Ost-Richtung 9,3 km. Die Stadtgrenze hat eine Gesamtlänge von 57,8 km, davon liegen 27,3 km direkt an der See, und 30,5 km grenzen landseitig an andere Gemeinden.
Rund 45 % des Stadtgebietes der „Grünen Stadt am Meer“ bestehen aus Landwirtschafts- und Waldflächen sowie Grünanlagen. Die Flächenaufteilung ist im Einzelnen in der folgenden Tabelle angegeben:
Im Westen grenzen die Gemeinde Sande und die Stadt Schortens, im Norden die Gemeinde Wangerland an. Alle drei Nachbargemeinden gehören zum Landkreis Friesland. Die Stadt grenzt im Osten und Süden an die Nordsee. In östlicher Richtung auf der anderen Seite der Jade liegt die Gemeinde Butjadingen. Sie bildet den nördlichen Teil des Landkreises Wesermarsch. In südlicher Richtung erkennt man auf der anderen Seite des Jadebusens bei gutem Wetter die Umgebung von Dangast, dem südlichsten Nordseebad an der Nordseeküste. Dangast gehört zur Stadt Varel im Landkreis Friesland.
Das Stadtgebiet Wilhelmshavens ist für statistische Zwecke in fünf Stadtbereiche (Süd, Mitte, West, Nord, Ost) eingeteilt. Jeder Stadtbereich besteht aus mehreren Stadtteilen. Diese sind nochmals in Stadtviertel unterteilt, wenn es sich um räumlich und strukturell zusammenhängende Gebiete handelt, die namentlich auch in der Öffentlichkeit bekannt sind. Die 1972 eingemeindeten Stadtteile Fedderwarden und Sengwarden sind zugleich Ortschaft im Sinne von § 90 des Niedersächsischen Kommunalverfassungsgesetzes (NKomVG). Für diese Ortschaften gibt es einen eigenen Ortsrat mit 13 Mitgliedern, die aus ihrer Mitte einen Ortsbürgermeister als Vorsitzenden wählen.
Nach der Klimaklassifikation von Köppen liegt Mitteleuropa und damit Wilhelmshaven in der Einteilung Cfb für warmgemäßigte Regenklimate mit ganzjährigen Niederschlägen. Dabei wirkt sich die Nähe zur Nordsee deutlich auf das regionale Wetter aus. Ihr Einfluss sorgt im Vergleich zum Landesinneren für mildere Winter und kühlere Sommer. Die Monatsdurchschnittstemperaturen sinken auch im Winter nicht unter den Gefrierpunkt. Die durchschnittliche Jahrestemperatur beträgt 8,7 °C. Die wärmsten Monate sind Juli und August mit durchschnittlich 16,3 °C und die kältesten Januar und Februar mit 1,2 beziehungsweise 1,6 °C im Mittel. Die Niederschlagsmengen verteilen sich relativ gleichmäßig über das ganze Jahr, hauptsächlich in Form von Regen. Schneefälle in den Wintermonaten sind selten. Die meisten Niederschläge fallen im Juli und November mit durchschnittlich 83 beziehungsweise 86 Millimeter, der geringste im Februar mit durchschnittlich 43 Millimeter. Der Jahresniederschlag liegt mit 831 Millimetern leicht über dem gesamtdeutschen Mittel.
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