桃園市位於臺灣本島西北部，東南以達觀山、繃繃山與新北市、宜蘭縣分界，西南則以雪臼山、李棟山與新竹縣之尖石鄉接壤，林口台地和龜崙嶺突起於市境東北，為臺北盆地與桃園台地之天然區劃。桃園市中心位置為平鎮區平安里，極東為復興區棲蘭山，極西為新屋區蚵殼港，極南為復興區西丘斯山，極北為蘆竹區坑子口。位於桃、竹兩行政區交界的雪白山為桃園市最高峰，海拔2444.305公尺。
桃園市除東南山區外，全境屬副熱帶季風氣候，受到東北季風與西南季風影響最大。東北季風始於十月下旬，至翌年三月，風力強，氣溫低。西南季風始於五月至九月，風力較弱，天氣較晴朗，但午後多雷陣雨，尤其七月至九月常有颱風。由於地理因素，桃園市是除臺中市以外，颱風最不容易造成嚴重災情的都市。
年雨量在1,500至2,000毫米（山區2,000至4,000公毫米），以夏季較多，冬季較少，但降雨日數反以冬季為多。全年平均溫度約為攝氏22.6度，跟新竹、基隆差不多，夏季平均29度，冬季平均約16度，冬季全臺平地最低溫常出現在桃園市沿海空曠的新屋區，全年平均溼度為89度左右。