Monterrey liegt im nordöstlichen mexikanischen Bundesstaat Nuevo León am meist ausgetrockneten Fluss Santa Catarina, der die Stadt in zwei Teile teilt. Das Klima ist bis auf gelegentlich auftretende, heftige Regengüsse weitestgehend trocken. Die Jahresmitteltemperatur beträgt 22 Grad Celsius, in den Wintermonaten kann es zu starken Temperaturschwankungen innerhalb weniger Stunden kommen.
Monterrey hat den Spitznamen la Ciudad de las Montañas („Stadt der Berge“), da die Stadt von Bergen umgeben ist und sich ihr südlicher Vorort San Pedro Garza García schon im Gebirge Sierra Madre Oriental befindet. Zwei kleine, erloschene Vulkane, Sierra del Topo und Topo Chico, befinden sich im Vorort San Nicolás de los Garza. Im Westen der Stadt erhebt sich der Sierra de las Mitras, der so heißt, weil sein Profil der Mitra eines Bischofs ähnelt. Im Osten dominiert der unverwechselbare Cerro de la Silla, dessen nördlicher Gipfel 1288 m hoch ist. Südlich des Flusses Santa Catarina trennt der Loma Larga Monterrey von dem Vorort San Pedro Garza García. Nördlich des Flusses befindet sich der Sierra del Obispado, dessen Gipfel der Standort des Bischofspalastes (Obispado) ist. An dieser Stelle fand einer der wichtigsten Schlachten des mexikanisch-amerikanischen Krieges statt.