Rotterdam ligt in het westen van Nederland in de provincie Zuid-Holland aan de monding van de Rijn in de Noordzee (Rijn-Maasdelta) en behoort tot het Randstadmetropoolgebied. De dichtere stedelijke regio van Rotterdam omvat grote naburige steden zoals Schiedam, Vlaardingen en Dordrecht.
Rotterdam ligt grotendeels onder zeeniveau en wordt beschermd door dijken. De Prins Alexander Polder ligt zo’n zes meter onder het Amsterdamse niveau. Het laagste bewoonde punt van Nederland met -6 m NAP ligt in het Rotterdamse stadsgebied, het laagste punt van Nederland (inclusief de onbewoonde gebieden) met -6,74 m NAP ligt net ten oosten van de stadsgrenzen in Nieuwerkerk aan den IJssel. Het hoogste punt van de stad ligt ongeveer zes meter boven de aanpalende polders, maar ook slechts twee meter boven zeeniveau. Rotterdam moet constant worden afgetapt door pompen, anders zou het natuurlijke grondwater boven straatniveau komen.
De rivier de Nieuwe Maas, een hoofdarm van de Rijndelta, verdeelt de stad in een noordelijk en een zuidelijk deel. In tegenstelling tot wat de riviernaam doet vermoeden, is de Nieuwe Maas een tak van de Rijn, waar sinds de laatste verschuiving van de Rijn en de Maas naar het zuiden nauwelijks meer Maaswater in stroomt. Het eigenlijke stadscentrum ligt aan de noordoever van de rivier; het zuidelijke district kenmerkt zich door de haven en de voormalige nederzettingen van de havenarbeiders. Pas de laatste decennia begon het centrum uit te breiden tot de wijken op de zuidoever, met name de Kop van Zuid (“Kop van het Zuiden” – het noordelijkste deel van de zuidoever).
De Nieuwe Maas wordt doorkruist door verschillende bruggen en tunnels. Deze zijn van west naar oost (stroomopwaarts):
- Beneluxtunnel
- Maas tunnel
- Erasmusbrug
- Metrotunnel
- Willemsspoortunnel
- Willemsbrug
- Koninginnebrug
- Van Brienenoordbrug
- Spoorbrug De Hef, is na zijn verwoesting als monument bewaard gebleven
De rivier de Rotte, waaraan de stad haar naam dankt, mondt niet meer uit in de Nieuwe Maas. Sinds de aanleg van de tweede metrolijn in de jaren tachtig is deze via een pijpleiding in de rivier gepompt, omdat anders problemen met het trajectontwerp zouden zijn ontstaan.
Tussen het eigenlijke stadsgebied en de Noordzee ligt langs de Nieuwe Maas en de Nieuwe Waterwegen het uitgestrekte havengebied van de stad, dat zich uitstrekt tot Hoek van Holland.
Rotterdam heeft elf stadsdelen: Charlois (inclusief Heijplaat), Delfshaven, Feijenoord, Hillegersberg-Schiebroek, Hoek van Holland, Hoogvliet, IJsselmonde, Kralingen-Crooswijk, Noord, Overschie en Prins Alexander (de meest bevolkte wijk). Twee andere wijken, Centrum en Pernis, hebben geen officiële stadsdeelstatus.