Situata sulle coste del Golfo di Botnia nel nord del Mar Baltico, la città è conosciuta come il quinto porto più grande della Svezia. Poiché il golfo è ghiacciato durante i mesi invernali, le navi viaggiano con rompighiaccio. Luleå ha un clima freddo. Le estati sono brevi e fresche, e gli inverni sono lunghi e freddi. La formazione di strati di neve permanente fornisce un clima leggermente più mite grazie alla Corrente del Golfo. Il valore di temperatura più alto osservato in città è di circa 20 gradi a luglio, mentre il valore di temperatura più basso è di -13 gradi come osservato a gennaio.