Sofia liegt in einer Ebene im Westen des Landes, nahe der Grenze zu Serbien.
Am südlichen Stadtrand beginnt das Witoscha-Gebirge (Черни връх = Schwarzer Gipfel, 2286 Meter), ein beliebtes Ausflugsziel, das die Kulisse der ganzen Stadt beherrscht. Die Grundform des Witoschagebirges ist fast rund, mit einem Durchmesser von etwa 15 Kilometer und einer Ausdehnung von 40 Kilometer.
Im Norden verläuft in ungefähr 50 Kilometer Entfernung das Balkan-Gebirge in Ost-West Richtung zirka 500 Kilometer durch ganz Bulgarien und teilt das Land in eine Nord- und eine Südhälfte. Dieses Gebirge ist Namensgeber für die gesamte Balkanhalbinsel.
Durch Sofia fließt der Fluss Iskar, der im Stadtbild aber kaum zu sehen ist.