Die Stadt liegt an einem Seitenarm des Pazifischen Ozeans durchschnittlich drei Meter über dem Meeresspiegel. Das Stadtgebiet (Urbanized Area) hat eine Fläche von 1.664 Quadratkilometer. Der Port Jackson bildet mit einer Fläche von 50 Quadratkilometern und 19 Kilometer Länge den Hauptarm und zugleich den natürlichen Hafen Sydneys. Von ihm zweigen weitere Meeresarme wie der Middle Harbour ab.
Die Metropolregion (Sydney Metropolitan Area) erstreckt sich über eine Fläche von 12.138 Quadratkilometer. Sie reicht vom Hawkesbury River im Norden bis jenseits der Botany Bay im Süden und von den Blue Mountains im Westen bis zum Pazifischen Ozean im Osten.
Sydney erstreckt sich über zwei geographische Regionen. Südlich und westlich des Hafens liegt der flache bis leicht hügelige Cumberland Plain. Nördlich des Hafens befindet sich das Hornsby Plateau, ein bis zu 200 Meter hohes Hügelland, das von bewaldeten Tälern durchzogen ist. Auf dem Stadtgebiet befinden sich verschiedene Nationalparks und über 70 verschiedene Strände, darunter die weltbekannten und besonders bei Surfern beliebten Strände Bondi Beach und Manly Beach.