Phoenix leží na 33°26'54" severní šířky a 112°4'26" západní délky (33.448457°, -112.073844°) v údolí Solné řeky neboli "Údolí slunce" ve střední Arizoně. Leží ve střední nadmořské výšce 1 117 stop (340 m) v severní části Sonorské pouště.
Kromě hor v okolí města je topografie Phoenixu převážně rovinatá. To umožňuje, aby hlavní ulice města vedly po přesné síti s širokými, volně rozprostřenými silnicemi.
Řeka Salt River protéká městem Phoenix směrem na západ. Koryto řeky je často vyschlé nebo jen stružka kvůli velkému využívání zavlažování. Řeka je plná po řídkých deštích nebo když se vypustí více vody z přehrad na horním toku. Město Tempe vybudovalo v korytě Solné řeky dvě nafukovací hráze, které vytvářejí celoroční rekreační jezero zvané Tempe Town Lake. Hráze se vypouštějí, aby řeka mohla během vypouštění nerušeně proudit. Lake Pleasant Regional Park se nachází v severozápadní části Phoenixu na předměstí Peoria v Arizoně.
Stejně jako ve většině Arizony ani ve Phoenixu neplatí letní čas. V roce 1973 argumentoval guvernér Jack Williams před Kongresem tím, že spotřeba energie se večer zvyšuje. Chladicí jednotky se totiž ráno podle letního času nepoužívaly tak často. Dále uvedl, že spotřeba energie vzroste, "protože brzy ráno se bude více svítit". Obával se také, že děti budou chodit do školy za tmy, což se skutečně dělo. Území národa Navajo v severovýchodní Arizoně dodržuje letní čas společně s ostatními kmenovými územími v jiných státech.
Klima
Phoenix má suché podnebí s velmi horkými léty a mírnými zimami. Průměrná letní teplota patří k nejteplejším ze všech obydlených oblastí ve Spojených státech a blíží se teplotám ve městech, jako je Rijád nebo Bagdád. Teplota dosahuje nebo překračuje 100 °F (38 °C) v průměru 110 dní v roce, včetně většiny dní od konce května do začátku září, a nejvyšší teploty překračují 110 °F (43 °C) v průměru 18 dní v roce. Dne 26. června 1990 dosáhla teplota rekordní hodnoty 122 °F (50 °C).
Ve Phoenixu je v průměru pouze 5 dní v roce, kdy teplota klesne pod bod mrazu nebo na něj. V okrajových částech Phoenixu často mrzne, ale na letišti ne. Nejdříve zaznamenaný mráz se vyskytl 3. listopadu 1946 a nejpozději 4. dubna 1945. Historicky nejnižší zaznamenaná teplota ve Phoenixu byla -8,8 °C (16 °F) 7. ledna 1913.
Krajina města
Od roku 1986 je město Phoenix rozděleno na městské čtvrti, z nichž mnohé vycházejí z historicky významných čtvrtí a komunit. Každá vesnice má svůj plánovací výbor. Tento výbor je jmenován přímo městskou radou. Podle příručky pro plánování vesnic vydané městem je účelem plánovacích výborů vesnic spolupracovat s městskou plánovací komisí na zajištění rovnováhy bydlení a zaměstnanosti v každé vesnici. Výbory se také zaměřují na rozvoj ve vymezených jádrech vesnic a na podporu jedinečného charakteru a identity vesnic.
V současné době se ve městě nachází 15 městských vesnic: V těchto městech: Ahwatukee Foothills, Alhambra, Camelback East, Central City, Deer Valley, Desert View, Encanto, Estrella, Laveen, Maryvale, North Gateway, North Mountain, Paradise Valley (nezaměňovat s městem Paradise Valley), South Mountain a Rio Vista. Rio Vista vznikla jako New Village v roce 2004 a v současné době je velmi řídce osídlená a v blízké budoucnosti se zde neočekává velký rozvoj.
Mezi nejčastěji zmiňované oblasti a okrsky Phoenixu patří Downtown, Midtown, West Phoenix, North Phoenix, South Phoenix, Biltmore Area, Arcadia, Sunnyslope, Ahwatukee.
