Santa Barbara liegt etwa 137 km nordwestlich von Los Angeles, direkt an der Pazifikküste und in einem leicht nach Norden ansteigenden Hügelland. Die Stadt hat eine Gesamtfläche von circa 107,3 km², davon sind 49,2 km² Land und 58,1 km² Wasser. Auf Grund des Mittelmeerklimas wird diese Küste an der Südseite von Santa Barbara County oft als „Amerikanische Riviera“ bezeichnet.
Die durchschnittlichen Jahresniederschläge liegen bei 450 mm/m². Von Süden nach Norden lässt sich ein Vegetationsgradient feststellen. An den schönen Stränden von Santa Barbara lassen sich Meeresvögel beobachten. Die Seebrücke wird von bettelnden Jungpelikanen heimgesucht. Außerdem kann man in Santa Barbara Grauwale beobachten, im Sommer auch Blauwale. Bootstouren zur Walbeobachtung starten im Hafen von Santa Barbara.
Sehenswert ist das Gerichtshaus des Santa Barbara County. Der Prachtbau im Zentrum der Innenstadt wurde nach dem Erdbeben 1929 im spanisch-maurischen Palaststil erbaut und ist von ausgedehnten Grünanlagen umgeben. Vom 26 m hohen Glockenturm des Gebäudes reicht der Blick weit über die Stadt hinaus bis hin zu den Santa Ynez Mountains und der im Pazifik gelegenen Santa Cruz Insel.
