Shenzhen liegt im Süden der Guangdong Provinz im Perlflussdelta. Von Hongkong trennt es der Sham Chun Fluss sowie der Sha Tau Kok Fluss. Das Stadtgebiet umfasst eine Größe von 2050 km². Shenzhen liegt etwa 100 km südöstlich von der Provinzhauptstadt Guangzhou, 60 km südlich von der Industriestadt Dongguan, 60 km nordöstlich von Zhuhai und 65 km nordöstlich von Macao entfernt.
Shenzhen hat eine Jahresdurchschnittstemperatur von 22,7 °C und eine Jahresniederschlagsmenge von 2210 mm. Das Klima kann als subtropisches Meeresklima beschrieben werden. Häufig ist mit dem Auftreten von tropischen Wirbelstürmen (Taifune) im Frühjahr und im Herbst zu rechnen.