Phoenix liegt im Herzen von Arizona im Tal der Sonne ("Valley of the Sun"), in der Sonora-Wüste, auf einer Höhe von durchschnittlich 340 m. Die geografische Lage ist 33° 32' n. Br., 112° 05' w. L.
Das erweiterte Stadtgebiet hat 3,7 Millionen Einwohner und umfasst Mesa, Scottsdale, Glendale, Tempe, Chandler, Gilbert, Peoria und viele kleinere Orte wie Goodyear, Avondale, Litchfield Park, und Anthem, sowie überwiegend von Rentnern bewohnte Gemeinden (retirement communities) wie Sun City, Sun City West und Fountain Hills.
Der Salt River fließt vom Nordosten des Maricopa County durch den Süden von Phoenix. Die Grenze zu Tempe (Arizona) wird vom Arizona Cross Cut Canal gebildet.
Der Großraum Phoenix wird von den McDowell-Bergen im Norden, South Mountain Park und Estrella Mountains im Süden, den White Tanks im Westen und den Superstition-Bergen weiter im Osten begrenzt.
Die Stadt hat eine Fläche von 1.230,5 km². Davon sind 1.229,9 km² Land und 0,6 km² Wasser (0,05% der Gesamtfläche).