Phoenix está a 33°26'54" Norte, 112°4'26" Oeste (33,448457°, -112,073844°) no Vale do Rio Sal, ou "Vale do Sol", no centro do Arizona. Está a uma altitude média de 1.117 pés (340 m), no extremo norte do Deserto Sonorano.
Além das montanhas dentro e ao redor da cidade, a topografia de Phoenix é em sua maioria plana. Isto permite que as principais ruas da cidade funcionem em uma grade precisa com estradas largas e de espaço aberto.
O Rio Salt corre para o oeste através da cidade de Phoenix. O leito do rio é freqüentemente seco ou apenas um gotejamento devido ao grande uso de irrigação. O rio está cheio após chuvas infrequentes ou quando mais água é liberada das represas a montante. A cidade de Tempe construiu duas represas infláveis no leito do rio Salt River para criar um lago recreativo durante todo o ano, chamado Tempe Town Lake. As barragens são esvaziadas para permitir que o rio flua sem obstáculos durante as descargas. O Parque Regional do Lago Pleasant fica no noroeste de Phoenix, no subúrbio de Peoria, Arizona.
Como na maior parte do Arizona, Phoenix não observa o horário de verão. Em 1973, o governador Jack Williams argumentou ao Congresso que o uso de energia aumentaria à noite. As unidades de refrigeração não eram usadas com tanta freqüência pela manhã no horário padrão. Ele prosseguiu dizendo que o uso de energia aumentaria "porque haveria mais luzes acesas no início da manhã". Ele também estava preocupado com as crianças que iam à escola no escuro, o que de fato eram. As terras da Nação Navajo no nordeste do Arizona observam o horário de verão em conjunto com o resto de suas terras tribais em outros estados.
Clima
Phoenix tem um clima árido, com verões muito quentes e invernos temperados. A temperatura média alta no verão está entre as mais quentes de qualquer área povoada dos Estados Unidos e se aproxima das de cidades como Riad e Bagdá. A temperatura atinge ou ultrapassa 100°F (38°C) em média 110 dias durante o ano, incluindo a maioria dos dias do final de maio até o início de setembro, e máximas de 110°F (43°C) uma média de 18 dias durante o ano. Em 26 de junho de 1990, a temperatura atingiu o máximo histórico de 50°C (122°F).
Em média, a Phoenix tem apenas 5 dias por ano onde a temperatura cai para ou abaixo de zero. Freqüentemente, as áreas periféricas de Phoenix vêem geadas, mas o aeroporto não vê. A primeira geada registrada ocorreu em 3 de novembro de 1946, e a última ocorreu em 4 de abril de 1945. A temperatura mais baixa registrada em Phoenix foi de 16 °F (-8,8 °C) em 7 de janeiro de 1913.
Cityscape
Desde 1986, a cidade de Phoenix tem sido dividida em vilas urbanas, muitas das quais se baseiam em bairros e comunidades historicamente significativas. Cada vilarejo tem um comitê de planejamento. Este comitê é nomeado diretamente pelo conselho da cidade. De acordo com o manual de planejamento da aldeia emitido pela cidade, o objetivo do comitê de planejamento da aldeia é trabalhar com a comissão de planejamento da cidade para garantir um equilíbrio entre moradia e emprego em cada aldeia. Os comitês também se concentram no desenvolvimento em núcleos identificados da aldeia e na promoção do caráter único e da identidade das aldeias.
Existem 15 vilas urbanas na cidade neste momento: Ahwatukee Foothills, Alhambra, Camelback East, Central City, Deer Valley, Desert View, Encanto, Estrella, Laveen, Maryvale, North Gateway, North Mountain, Paradise Valley (não confundir com a cidade de Paradise Valley), South Mountain e Rio Vista. Rio Vista foi criada como Nova Vila em 2004 e atualmente é muito pouco povoada, não se esperando um grande desenvolvimento no futuro próximo.
As regiões e distritos comumente referidos a Phoenix incluem Downtown, Midtown, West Phoenix, North Phoenix, South Phoenix, Biltmore Area, Arcadia, Sunnyslope, Ahwatukee.