Düsseldorf liegt in der mittleren Niederrhein-Ebene überwiegend am rechten Ufer des Rheins auf einer von zahlreichen Rheinarmen durchzogenen Niederterrassenfläche an der Mündung des Flüsschens Düssel, welches der Stadt den Namen gab. Lediglich die Stadtteile Oberkassel, Niederkassel, Heerdt und Lörick liegen am linken Rheinufer. Die Stadt liegt unweit südwestlich des Ruhrgebiets, im Herzen der Metropolregion Rhein-Ruhr und an der Schwelle vom Rheinland zum Bergischen Land.
Der Verdichtungsraum Rhein-Ruhr ist eine Wirtschaftsregion und ein städtischer Ballungsraum im Westen Deutschlands. Er zählt zu den größten Verdichtungsräumen in Europa und ist der größte in Deutschland. In den 20 kreisfreien Städten und 10 Kreisen mit zusammen fast 10.000 km² leben rund 11 Millionen Einwohner (Stand 2005). Allein im Umkreis von 50 Kilometern um Düsseldorf leben etwa neun Millionen Menschen.
Der höchst gelegene Punkt im Stadtgebiet (der Sandberg im Stadtteil Hubbelrath) misst 165 m, der niedrigste Punkt (die Mündung des Schwarzbachs in den Rhein bei Wittlaer) 28 m ü. NN.
Das Klima in Düsseldorf ist wie am Niederrhein üblich durch milde Winter und mäßig warme Sommer geprägt. So gibt es in Düsseldorf bei einer Jahresmitteltemperatur von 10,5 °C im Mittel rund 770 mm Niederschlag.