Osterholz befindet sich etwa acht Kilometer östlich entfernt vom Bremer Stadtzentrum. An Osterholz grenzen die zum Stadtteil Hemelingen gehörigen Ortsteile Mahndorf im Süden, Arbergen im Südwesten und Sebaldsbrück im Westen, der Stadtteil Vahr im Nordwesten, und der Stadtteil Oberneuland im Norden.