Minneapolis liegt im Mittleren Westen der Vereinigten Staaten am Mississippi River. Es hat eine Fläche von rund 151 Quadratkilometern. Davon sind sechs Prozent Wasserflächen und 15 Prozent Parkanlagen. Südlich des Stadtzentrums verläuft der 45. Breitengrad. Die geringste Höhe über dem Meeresspiegel ist am Zusammenfluss des Minnehaha Creek und des Mississippi Rivers mit einer Höhe von 209 Metern. Der höchste Punkt befindet sich Prospect Park-Gegend mit 282 Metern.
In Minneapolis herrscht das für den Mittleren Westen typische Klima. Die Winter sind sehr kalt und trocken, die Sommer warm und zeitweise feucht. In der Klimaklassifikation nach Köppen/Geiger fällt die Stadt in das humide Kontinentalklima (Dfa).
Die höchste jemals gemessene Temperatur liegt bei 42,2 Grad Celius im Juli 1936, die niedrigste bei -40,6 Grad Celsius im Januar 1888. Der Winter 1983/84 war der schneereichste, als 2,5 Meter Schnee fielen. Aufgrund der vor Wettereinflüssen ungeschützten Lage im Norden der Vereinigten Staaten gelangt Minneapolis im Winter oftmals unter den Einfluss polarer Kaltluftmassen. Mit einer jährlichen Durchschnittstemperatur von 7 Grad Celsius besitzt die Region Minneapolis-St. Paul zudem die niedrigste aller Metropolregionen innerhalb der USA.