Mặc dù Sendai đã có người sinh sống từ cách đây 20.000 năm, nhưng lịch sử của thành phố Sendai thì mới bắt đầu từ năm 1600. Lãnh chúa Masamune không hài lòng về phần lãnh địa và thành trì Iwadeyama trước đó của ông ta. Iwadeyama nằm ở phía bắc vùng đất của ông và từ đó rất khó khăn để đến Edo (Tokyo hiện nay). Trong khi đó, Sendai là một địa điểm lý tưởng, tọa lạc ngay trung tâm vùng đất mà Masamune mới giành được, nằm trên con đường chính đến Edo, và còn gần biển nữa. Tokugawa Ieyasu đã cho phép Masamune xây dựng thành quách ở Aobayama, Sendai sau trận thắng Sekigahara. Vào thời điểm đó, chữ Sendai được viết là 千代, vì ở Aobayama có một ngôi đền với 1000 bức tượng Phật (千体 sentai – thiên thể). Masamune đã đổi cách viết chữ Kanji của thành phố thành (仙台). Masamune xây dựng thành Sendai vào tháng 12 năm 1600 và bắt tay xây dựng Sendai thành một thị trấn vào năm 1601. Những đồ án của ông ngày đó đã tạo cơ sở cho hệ thống đường sá ở trung tâm thành phố ngày nay. Sendai được hợp nhất thành thành phố vào ngày 1 tháng 4 năm 1889, là kết quả của sự loại trừ chế độ lãnh địa phong kiến. Vào thời điểm hợp nhất, diện tích thành phố là 17,45 km² và dân số là 86.000 người. Tuy nhiên, thành phố lại qua tiếp bảy lần sáp nhập nữa, từ 1928 tới 1988. Thành phố như bây giờ bắt đầu từ tháng 4 năm 1989. Năm 1999, dân số thành phố đã vượt quá 1 triệu người. Sendai bắt đầu được biết tới như một thành phố của cây cối (杜の都 Mori no Miyako) từ trước Thế chiến thứ hai. Đó là vì các lãnh chúa của Sendai đã khuyến khích dân trồng cây cối trong sân nhà. Kết quả là mọi ngôi nhà, ngôi đền và điện thờ ở trung tâm thành phố đều có những khu rừng gia đình (屋敷林 yashikirin), được sử dụng như nguồn cung cấp gỗ và những nguyên liệu hàng ngày. Những cuộc oanh tạc trong Thế chiến thứ hai đã phá huỷ gần hết mọi cây cỏ, và một số lượng lớn nữa bị tiêu hao cho công cuộc phát triển phục hồi đất nước sau chiến tranh. Sendai vẫn được biết đến như "Thành phố của Cây cối", vì một cố gắng rất to lớn nhằm phục hồi lại cây xanh trong thành phố.

Sendai nằm ở vị trí 38°16ᐟ05ᐥ Bắc, 140°52ᐟ11ᐥ Đông. Diện tích thành phố là 788,09 km², chạy dài từ Thái Bình Dương đến núi Ou, vốn là những ranh giới Đông - Tây của tỉnh Miyagi. Kết quả là làm cho địa lí của thành phố này thực sự đa dạng. Đồng bằng ở phía Đông, vùng đồi ở giữa và núi ở phía Tây thành phố. Điểm cao nhất của thành phố là Đỉnh Funagata, cao 1500 m so với mặt biển. Sông Hirose có 45 km chảy qua Sendai. Dòng sông này được coi là biểu tượng của thành phố Sendai, đặc biệt là khi nó xuất hiện trong bài hát Aobajō Koiuta (青葉城恋唄 hay "Tình ca thành Aoba"). Thành Sendai được xây dựng sát con sông, mục đích là sử dụng sông như một đường hào tự nhiên. Con sông này thường xuyên có lũ lụt đến tận thập niên 1950, khi những con đê và đập nước được xây dựng từ năm 1960 đến 1970 đã làm lũ lụt giảm đi rất nhiều. Con sông bây giờ nổi tiếng với nước sạch và cảnh đẹp tự nhiên, đã từng được Bộ Môi trường Nhật Bản bầu chọn là một trong 100 con sông nổi tiếng nhất nước Nhật. Những ngọn núi ở Sendai là núi lửa ngừng hoạt động, già hơn nhiều ngọn núi lửa nổi tiếng như Zao và Narugo ở thành phố bên cạnh. Tuy nhiên, nhiều suối nước nóng được tìm thấy ở đây.

Sendai có khí hậu ôn hoà. Nhiệt độ trung bình 12,1 °C và lượng mưa trung bình 1241,8 mm/năm. Nhiệt độ cao nhất được ghi nhận là 36,8 °C, và thấp nhất là −11,7 °C. Một năm trung bình có khoảng 16,8 ngày thành phố có nhiệt độ cao trên 30 °C và chỉ 2,2 ngày mà nhiệt độ dưới 0 °C, một sự cách biệt nhỏ so với phần lớn các thành phố khác trên đất Nhật. Thành phố hiếm khi gặp bão, và trung bình mỗi năm chỉ có 6 ngày có tuyết dày hơn 10 cm. Mùa mưa ở Sendai thường bắt đầu vào cuối tháng 6 đến đầu tháng 7, trễ hơn so với các nơi khác ở Nhật. Ngày 11/3/2011 Thành phố Sendai bị phá huỷ do trận địa chấn 9,8 độ Ricter trên vùng đứt gãy Thái Bình Dương cách đó 150 km về phía Đông Bắc. Trận động đất kinh hoàng này đã tạo ra đợ sóng thần cao đến 10m ập vào thành phố làn hàng vạn người thiệt mạng.

Sân bay Sendai (Nhật: 仙台空港 Sendai Kūkō^{Tiên Đài không cảng}) (IATA: SDJ, ICAO: RJSS) là một sân bay cấp hai tọa lạc tại Natori, Miyagi, Nhật Bản. Tuyến sân bay Sendai nối sân bay đến ga Sendai. Hiện có nhà ga xe lửa gần nhất là nhà ga Tatekoshi.