Phoenix ligt op 33°26'54" Noord, 112°4'26" West (33.448457°, -112.073844°) in de Salt River Valley, of "Vallei van de Zon", in centraal Arizona. Het ligt op een gemiddelde hoogte van 340 m, in het noordelijke deel van de Sonorawoestijn.
Afgezien van de bergen in en rond de stad, is de topografie van Phoenix overwegend vlak. Hierdoor lopen de hoofdstraten van de stad volgens een nauwkeurig raster met brede, open-afstandswegen.
De Salt River stroomt in westelijke richting door de stad Phoenix. De rivierbedding staat vaak droog of is slechts een beekje door het grote irrigatiegebruik. De rivier is vol na onregelmatige regenbuien of wanneer meer water wordt vrijgelaten van stroomopwaarts gelegen dammen. De stad Tempe heeft twee opblaasbare dammen in de bedding van de Salt River gebouwd om het hele jaar door een recreatiemeer te creëren, genaamd Tempe Town Lake. De dammen worden leeggepompt zodat de rivier ongehinderd kan stromen wanneer er water vrijkomt. Lake Pleasant Regional Park ligt in het noordwesten van Phoenix in de buitenwijk Peoria, Arizona.
Zoals het grootste deel van Arizona neemt Phoenix de zomertijd niet in acht. In 1973 betoogde Gov. Jack Williams tegenover het Congres dat het energiegebruik 's avonds zou toenemen. Koelkasten werden 's morgens op de standaardtijd niet zo vaak gebruikt. Hij zei verder dat het energieverbruik zou stijgen "omdat er 's morgens vroeg meer lichten zouden branden". Hij was ook bezorgd dat kinderen in het donker naar school zouden gaan, wat inderdaad het geval was. Het land van de Navajo Nation in het noordoosten van Arizona neemt de zomertijd in acht, net als de rest van het stammengebied in andere staten.
Klimaat
Phoenix heeft een droog klimaat, met zeer hete zomers en gematigde winters. De gemiddelde zomertemperatuur is een van de heetste van alle dichtbevolkte gebieden in de Verenigde Staten en benadert die van steden als Riyad en Bagdad. De temperatuur bereikt of overschrijdt 100 °F (38°C) op een gemiddelde van 110 dagen tijdens het jaar, met inbegrip van de meeste dagen van eind mei tot begin september, en de maxima boven 110 °F (43 °C) een gemiddelde van 18 dagen tijdens het jaar. Op 26 juni 1990 bereikte de temperatuur een recordhoogte van 122 °F (50 °C).
Gemiddeld heeft Phoenix slechts 5 dagen per jaar waarop de temperatuur tot of onder het vriespunt daalt. In de buitengebieden van Phoenix komt het vaak voor dat het vriest, maar op de luchthaven niet. De vroegste vorst die ooit is gemeten, deed zich voor op 3 november 1946, en de laatste op 4 april 1945. De laagste temperatuur ooit gemeten in Phoenix was 16 °F (-8,8 °C) op 7 januari 1913.
Stadsgezicht
Sinds 1986 is de stad Phoenix verdeeld in stadsdorpen, waarvan vele zijn gebaseerd op historisch belangrijke buurten en gemeenschappen. Elk dorp heeft een planningscommissie. Deze commissie wordt rechtstreeks door de gemeenteraad benoemd. Volgens het door de stad uitgegeven handboek voor dorpsplanning is het doel van de dorpsplanningscommissies samen te werken met de planningscommissie van de stad om te zorgen voor een evenwicht tussen huisvesting en werkgelegenheid in elk dorp. De commissies concentreren zich ook op de ontwikkeling van bepaalde dorpskernen en op de bevordering van het unieke karakter en de identiteit van de dorpen.
Er zijn 15 stedelijke dorpen in de stad op dit moment: Ahwatukee Foothills, Alhambra, Camelback East, Central City, Deer Valley, Desert View, Encanto, Estrella, Laveen, Maryvale, North Gateway, North Mountain, Paradise Valley (niet te verwarren met de stad Paradise Valley), South Mountain en Rio Vista. Rio Vista werd in 2004 als New Village gecreëerd en is momenteel zeer dunbevolkt, zonder dat er in de nabije toekomst veel ontwikkeling wordt verwacht.
Regio's en wijken in Phoenix waarnaar vaak wordt verwezen zijn Downtown, Midtown, West Phoenix, North Phoenix, South Phoenix, Biltmore Area, Arcadia, Sunnyslope, Ahwatukee.