Rotterdam liegt im Westen der Niederlande in der Provinz Südholland an der Mündung von Maas und Rhein in die Nordsee und gehört zum Ballungsraum Randstad. Zur engeren Stadtregion Rotterdams zählen große Nachbarstädte wie Schiedam, Vlaardingen und Dordrecht.
Rotterdam liegt größtenteils unter dem Meeresspiegel und ist durch Deiche geschützt. Der Prins Alexander Polder liegt so bei 6 Meter unter dem Amsterdamer Pegel, der tiefste bewohnte Punkt der Niederlande mit -6m liegt im Stadtgebiet, der tiefste Punkt der Niederland -6,76m liegt knapp östlich der Stadtgrenzen in der Gemeinde Nieuwerkerk aan den IJssel. Rotterdam muss beständig durch Pumpen entwässert werden, da der natürliche Grundwasserspiegel sonst oberhalb der Straßen Rotterdams liegen würde.
Der Fluss Nieuwe Maas, ein Hauptarm des Rheindeltas, teilt die Stadt in einen nördlichen und südlichen Teil. Das eigentliche Stadtzentrum liegt dabei am nördlichen Ufer des Flusses. Nur in den letzten Jahrzehnten begann das Zentrum, sich auch auf das südliche Ufer auszudehnen, besonders auf den Teil De Kop van Zuid ("Kopf des Südens" - also der nördlichste Teil des Südufers). Über die Nieuwe Maas führen mehrere Brücken und Tunnel. Von West nach Ost: der Beneluxtunnel, der Maastunnel, die Erasmusbrug, der U-Bahn-Tunnel, der Willemsspoortunnel, die Willemsbrug, die Koninginnebrug und die Vam Bienenoordbrug. Die ehemalige Eisenbahn-Hebebrücke De Hef blieb als Denkmal erhalten.
Zwischen dem eigentlichen Stadtgebiet und der Nordsee liegt entlang der Nieuwe Maas und des Nieuwe Waterwegs das extensive Hafengebiet der Stadt, das bis Hoek van Holland reicht. Der namensgebende Fluss Rotte fließt allerdings nicht mehr in die Nieuwe Maas. Seit dem Bau der zweiten U-Bahn-Linie in den 1980ern, wird er durch eine Rohrleitung in den Fluss gepumpt, da es sonst Probleme mit der Streckengestaltung gegeben hätte.
Rotterdam hat 11 Stadtteile: Charlois (inklusive Heijplaat), Delfshaven, Feijenoord, Hillegersberg-Schiebroek, Hoek van Holland, Hoogvliet, IJsselmonde, Kralingen-Crooswijk, Noord, Overschie, und Prins Alexander (mit 85,000 der bevölkerungsreichste Stadtteil). Zwei weitere Viertel, Centrum und Pernis, besitzen keinen Status als offizieller Stadtteil.