Phoenix sa nachádza na 33°26'54" severnej zemepisnej šírky a 112°4'26" západnej zemepisnej dĺžky (33.448457°, -112.073844°) v údolí rieky Salt River Valley alebo "Údolí slnka" v strednej Arizone. Nachádza sa v strednej nadmorskej výške 1 117 stôp (340 m), v severnej časti Sonorskej púšte.
Okrem hôr v okolí mesta je topografia Phoenixu väčšinou rovinatá. To umožňuje, aby hlavné ulice mesta viedli po presnej sieti so širokými, voľne rozmiestnenými cestami.
Rieka Salt River preteká mestom Phoenix smerom na západ. Koryto rieky je často vyschnuté alebo len tečie kvôli veľkému využívaniu zavlažovania. Rieka je plná po zriedkavých dažďoch alebo keď sa z priehrad na hornom toku vypustí viac vody. Mesto Tempe vybudovalo v koryte Salt River dve nafukovacie hrádze, aby vytvorilo celoročné rekreačné jazero s názvom Tempe Town Lake. Hrádze sú vypustené, aby umožnili rieke počas vypúšťania vody nerušene prúdiť. Lake Pleasant Regional Park sa nachádza v severozápadnej časti Phoenixu na predmestí Peoria v Arizone.
Podobne ako vo väčšine Arizony, ani vo Phoenixe sa nedodržiava letný čas. V roku 1973 guvernér Jack Williams argumentoval v Kongrese, že spotreba energie sa vo večerných hodinách zvýši. Chladiace jednotky sa ráno pri štandardnom čase nepoužívali tak často. Ďalej uviedol, že spotreba energie by sa zvýšila, "pretože by sa skoro ráno viac svietilo". Obával sa aj toho, že deti budú chodiť do školy za tmy, čo sa aj skutočne dialo. Územia národa Navajo v severovýchodnej Arizone dodržiavajú letný čas spolu s ostatnými kmeňovými územiami v iných štátoch.
Podnebie
Phoenix má suché podnebie s veľmi horúcimi letami a miernymi zimami. Priemerná letná teplota patrí k najteplejším spomedzi všetkých obývaných oblastí v Spojených štátoch a približuje sa teplotám v mestách ako Rijád a Bagdad. Teplota dosahuje alebo prekračuje 100 °F (38 °C) v priemere 110 dní v roku, vrátane väčšiny dní od konca mája do začiatku septembra, a najvyššia teplota prekračuje 110 °F (43 °C) v priemere 18 dní v roku. Dňa 26. júna 1990 dosiahla teplota rekordnú hodnotu 122 °F (50 °C).
Vo Phoenixe je v priemere len 5 dní v roku, keď teplota klesne pod bod mrazu alebo naň. V okrajových častiach Phoenixu sa často vyskytujú mrazy, ale na letisku nie. Najskorší zaznamenaný mráz sa vyskytol 3. novembra 1946 a posledný 4. apríla 1945. Historicky najnižšia zaznamenaná teplota vo Phoenixe bola 16 °F (-8,8 °C) 7. januára 1913.
Krajina mesta
Od roku 1986 je mesto Phoenix rozdelené na mestské časti, z ktorých mnohé sú založené na historicky významných štvrtiach a komunitách. Každá dedina má plánovací výbor. Tento výbor je menovaný priamo mestskou radou. Podľa príručky o plánovaní dedín, ktorú vydalo mesto, je cieľom plánovacích výborov dedín spolupracovať s mestskou plánovacou komisiou na zabezpečení rovnováhy bývania a zamestnanosti v každej dedine. Výbory sa tiež zameriavajú na rozvoj v určených jadrách obcí a na podporu jedinečného charakteru a identity obcí.
V súčasnosti sa v meste nachádza 15 mestských obcí: V súčasnosti sa v mestečku nachádzajú tieto mestské časti: Ahwatukee Foothills, Alhambra, Camelback East, Central City, Deer Valley, Desert View, Encanto, Estrella, Laveen, Maryvale, North Gateway, North Mountain, Paradise Valley (nemýliť si s mestom Paradise Valley), South Mountain a Rio Vista. Rio Vista vznikla ako New Village v roku 2004 a v súčasnosti je veľmi riedko osídlená, pričom v blízkej budúcnosti sa neočakáva veľký rozvoj.
Medzi najčastejšie spomínané regióny a štvrte Phoenixu patria Downtown, Midtown, West Phoenix, North Phoenix, South Phoenix, Biltmore Area, Arcadia, Sunnyslope, Ahwatukee.
