İlçe, doğusu ve batısı dar vadilerle kesilen ve Karadeniz’e eğimli bir bölgede kurulmuştur. Kuzeyde Karadeniz’den başlayan eğim, güneyde Çamdağı’nın zirvesindeki Fındıktepe’de 900 metreye ulaşır. Doğu sınırını belirleyen Melen Çayı ve batı sınırını oluşturan Maden Deresi arasında yer alan ilçenin yüzölçümü 315 kilometre kare olup, denizden yüksekliği 20 metredir. Doğuda Akçakoca ve Cumaova, güneyde Hendek, batıda Karasu ilçesi ve kuzeyde Karadeniz ile tamamı kumsal olan bir kıyı şeridi ile sınırlanmıştır. İlçe merkezi, kıyıdan 2 km içeride kurulmuş olup yerleşim son yıllarda denize doğru gelişim göstermektedir.

İlçenin çevre ilçe ve belli merkezlere uzaklığı; Akçakoca’ya 25 km, Hendek’e 35 km, Karasu’ya 15 km, Adapazarı’na 70 km, İstanbul’a 220 km ve Ankara’ya 300 km’dir.

İlçe yüzölçümünün %25’i (55.8 km2) orman alanı ile kaplı olup ağırlıklı olarak çam, çınar, kayın, ıhlamur, kestane ve kızılağaç türleri mevcuttur. Arazi kullanımı bakımından genel bitki örtüsünün fındık bahçeleri olduğu söylenebilir. Kocaali ilçesi Batı Karadeniz Bölgesinin bittiği, Marmara Bölgesinin başladığı yerde olduğu için iki bölgenin iklimleri etkisi altında bir geçiş iklimine sahiptir. Genel olarak yazları sıcak ve kısmen yağışlı, kışları ise kar ve yağmur yağışlı geçer. Kış aylarında yağışlar genelde kar ve yağmur, ilkbahar ve sonbahar aylarında ise sadece yağmur görülür. Metrekareye ortalama 900 kg yağış düşer. Genellikle sonbahar mevsimi sonu, kış ve ilkbahar aylarında yoğun sis görülür.

Bitki örtüsünde değişik karakterlere pek rastlanılmaz. Dağlık olarak ifade edilen güney kısımlarında sadece Çamdağı bölgesi ormanla kaplı olup, diğer bölgelerde ormanlara kısmen rastlanır. Orman alanları dışında kalan arazinin tamamına yakını fındık bahçeleri ile kaplıdır