Vancouver liegt an der Straße von Georgia, einem Meeresarm, der durch Vancouver Island vom Pazifischen Ozean abgeschirmt wird. Das 114,67 km² große Stadtgebiet erstreckt sich auf der Burrard-Halbinsel, zwischen dem rund 25 km langen Burrard Inlet im Norden und dem Fraser River im Süden. An ihrer Nordküste wird die Burrard-Halbinsel durch einen weiteren Meeresarm, den rund 2 km langen False Creek, nochmals unterteilt. Auf dieser kleineren Halbinsel liegen das Stadtzentrum (Downtown) und der Stanley Park, einer der größten städtischen Parks in Nordamerika. An der Westseite des Stadtzentrums befindet sich die English Bay. Das Stadtgebiet Vancouvers umfasst flaches und hügeliges Terrain, die höchste Stelle liegt auf 167 m ü. NN, auf dem Little Mountain inmitten des Queen Elizabeth Park.
Die Stadt ist bekannt für ihre landschaftlich reizvolle Lage. Hoch aufragende Berge prägen das Stadtbild; diese gehören zu den North Shore Mountains, der südlichsten Kette des Küstengebirges. Die drei Hausberge Grouse Mountain (1250 m), Mount Seymour (1449 m) und Mount Strachan (1454 m) liegen am Nordufer des Burrard Inlet direkt gegenüber der Stadt. An klaren Tagen ist im Südosten der Vulkan Mount Baker erkennbar, der im US-Bundesstaat Washington liegt. Die Berge an der Sunshine Coast im Nordwesten sowie Vancouver Island im Westen und Südwesten runden die Szenerie ab.
Die Nachbargemeinden Vancouvers sind West Vancouver im Nordwesten, North Vancouver im Norden, der Distrikt North Vancouver im Nordosten, Burnaby im Osten und Richmond im Süden. Die University Endowment Lands im Westen sind ein gemeindefreies Gebiet und bilden einen Teil des Greater Vancouver Electoral Area A.