Belgrad liegt im Südosten Europas auf der Balkanhalbinsel. Die Stadt liegt recht zentral in Serbien und ist im Norden von der autonomen Provinz Vojvodina umgeben. In Belgrad befindet sich die Mündung der Save (Sava) in die Donau (Dunav). Die Altstadt mit der osmanischen Festung Kalemegdan liegt auf einem Felsvorsprung zwischen Donau und Save direkt an der Mündung und war dadurch von drei Seiten geschützt. Mit dieser Lage trug Belgrad mit Recht den Namen „Pforte“ des Balkans und „Tor“ Mitteleuropas.
Belgrads Kern befindet sich am rechten Donau- und rechten Save-Ufer. Am linken Donauufer beginnt der Banat mit der Pannonischen Tiefebene, am rechten zwischen Donau und Save Syrmien, und südlich von Belgrad liegt die waldreiche Šumadija. Im Winkel zwischen Donau und Save liegt die Neustadt Novi Beograd und ein Stück donauaufwärts Zemun (deutsch auch Semlin), zur Zeit der Türkenkriege ein habsburgischer Vorposten und heute Vorort von Belgrad.
Die Hauptverkehrsader der Stadt verläuft bei der Anhöhe der Festung Kalemegdan an der Knez Mihailova ulica (Fürst-Michael-Straße) über die Terazije bis zur Slavija.
Belgrads Umgebung wird von zwei Landschaftsbildern geprägt: der Pannonische Tiefebene mit ihren großen Getreide- und Maisfeldern im Norden und der Šumadija mit ihren Obst- und Weingärten und den riesigen Wäldern im Süden an der Save und Donau. Die größten Erhebungen in der Nähe Belgrads sind der Berg Kosmaj (628 m) und der Avala (511 m). Die Geländeoberfläche Belgrads von Süden betrachtet erweckt den Eindruck, als breite sich die Stadt über viele Hügel aus. Einige Hügel in Belgrad und Umgebung sind Banovo brdo, Lekino brdo, Topčidersko brdo, Kanarevo brdo, Julino brdo, Petlovo brdo, Zvezdara, Vračar und Dedinje. Nördlich der Save und Donau erstrecken sich die alluvialen Ebenen und das Löß-Plateau (Bežanijska kosa), die ein 30 m hoher Steilhang trennt. Auf dem linken Save-Ufer, unterhalb des Löß-Plateaus, erstreckt sich der Stadtteil Novi Beograd und am linken der Stadtteil Zemun.
Das am höchsten gelegene Gebäude im Kerngebiet der Stadt ist auf Torlak (Voždovac) die Dreifaltigkeitskirche mit 303,1 m, während Ada Huja mit 70,15 m den tiefstgelegenen Punkt aufweist. Das Kosmaj-Gebirge (Mladenovac) ist mit 628 m die höchste Erhebung im Bezirk Belgrad. Für die Durchschnittshöhe Belgrads wird die absolute Höhe der Wetterwarte mit 132 m genommen. Die genaue geografische Lage des Belgrader Stadtzentrums der Knez Mihailova (Hauptstraße im Zentrum) ist 44°49'14" Nord und 20°27'44" Ost. Belgrad erstreckt sich auf 3,6 % des Territoriums der Republik Serbien.