广州市位于中国南部、珠江三角洲（以下简称“珠三角”）北部边缘，南临南海，东邻惠州市，西邻佛山市，北邻清远市和韶关市，南邻东莞市和中山市，与香港、澳门特别行政区隔海相望，是西江、北江、东江交汇之处，珠三角水网的核心，也是南海航线的起点，兼具河港与海港之利。在行政区划上，广州市包括越秀区、荔湾区、海珠区、天河区、白云区、黄埔区、番禺区、花都区、从化区、南沙区、增城区。面积约7434平方千米。截至2021年，广州市常住人口1881.06万人，城镇化率为86.46%。
珠三角前身是南海的海湾，因地盘断裂而形成。地层归属于华南地层大区中的东南地层区，地表出露元古宙、震旦纪、寒武纪、泥盆纪、白垩纪、古近纪、新近纪、第四纪。岩浆岩主要为燕山期二长花岗岩类，以粗粒或粗粒斑状花岗岩为主；第四纪分布最广，沉积类型有冲积、湖积、海积及海陆混合堆积。
在广州海珠区新港中路东端的七星岗周围，只要往地下挖几米，就可见到含有大量海洋软体动物的贝壳和微体化石的淤泥层。七星岗由白垩纪红色砂砾岩构成，岩层向东北倾斜。南端存有形成于6000年前的海蚀地貌，称七星岗古海岸遗址。海珠区的松岗沙堤、赤沙沙堤、赤岗瓯穴群、南沙区黄阁镇古海岸遗址、番禺区莲花山古海蚀崖、增城区新塘镇天后宫古海蚀地貌等，均属此类海岸遗迹，是研究珠三角地理形成的重要数据库。
从侏罗纪至白垩纪，燕山期岩浆不断大规模侵入，广东地盘发生剧烈变化，屡升屡沉，广州处在三大断裂带之中，地质形态十分复杂。广州—罗浮山断裂构造带，西起肇庆西部，往东横越三水盆地，经广州越秀山北麓、瘦狗岭、庙头、南岗，过黄埔，穿越东莞盆地北缘，讫于博罗长宁附近，其中横贯广州一段亦称“瘦狗岭断裂带”，是控制广州地区地质构造框架的骨干性断裂带。此外，广州—从化断裂带北起从化区吕田，经良口、温泉、街口、神岗、太平、钟落潭、太和、龙归，从白云山麓往南西穿过越秀区和荔湾区，延伸至佛山市南海区；广州—三水断裂带西起三水，经佛山、南海延入广州。由于断裂带具有集水和导水功能，在广州地区形成巨大的贮水空间。
西江、北江、东江在广州汇合入海。三江带来的泥沙长年冲入海湾，不断造出新的沙洲、滩涂和平原，形成各自的小三角洲。在漫长岁月中，各小三角洲互相交错，互相渗透，发展为一个面积达1.13万平方千米的湾内复合三角洲。
珠三角的河流均由八大口门出海，受海洋潮影响明显。在古文献里，南海被称为“涨海”“沸海”“炎海”。距今6000年前，海平面比现在高出3米，越秀山以南的溺谷湾内，遍布大小沙洲和岛屿，是南海的一个溺谷湾。当代地质钻孔勘探，在黄埔、仑头有成片天然死亡的蚝壳层分布；中山五路新大新公司地底8米深处，发现含海相贝壳及咸水种化石硅藻淤泥，距今约6000年；广东省政府、科学馆、石溪、芳村、文化公园、天成路、大德路、宝源路、南方大厦、光塔路、扬基等处地层下，都发现两千年前的蚝壳；北京路南段、大南路发现约2300年前的泥蚶、牡蛎壳；大德路地层下亦发现有泥蚶。蚝与蚶都是海洋贝类动物。在宝源路地层中发现的海贝年代，经鉴定为2100年前；考古学家在中山四路发现秦代遗址，有人说是大型造船工场遗址，有人说是宫殿木建构遗存，遗址压着厚达2.5米以上的黑色粘土层，是未被扰动的天然沉积，并且发现古老海洋原生动物有孔虫的成分。
广州中心城区曾是一片碧蓝海湾，伶仃洋的汹涌海潮，可直拍越秀山南麓。越秀山是省级地质遗迹区。其地质构成，可追溯至8亿年前的震旦纪，岩性自下而上由长石石英砂岩、白云母石英粉砂岩、冰碛泥质砂岩、冰碛含砾泥质砂岩、砂砾岩及铁矿层组成。地层基本上保持成层状，下层是震旦世“第一冰期”冰水的沉积；上层是震旦纪“间冰期”的铁矿层。层理十分清晰，岩石变质作用轻微，可以采到古藻类微古植物化石，因此是一个具有广东省内外以至华南地区地层对比意义的重要科学价值的地层层位。
越秀山的南北和东西两面，有两组方向不同的断裂，一组断裂方向为北东倾向西，西盘下降，东盘抬升，属广从断裂带的局部表现；另一组断裂方向为近东西倾向南，南盘下降，北盘抬升，属广罗断裂带的局部表现。这两组断裂相交汇，使得在交汇处的地层岩石被切割成菱方形块状体，并抬升为山体。因而越秀山是典型的断块山构造地质遗迹，它记载了从8亿年前地球最古老的冰川事件——震旦纪古冰川沉积到加里东运动、印支运动、燕山运动和喜马拉雅运动等各个地壳构造运动演化的历史。
至秦汉时，随着北江、西江和东江冲下来的泥沙日益堆积，形成冲积平原，海水向南退去，珠江河道开始成形。其演变过程，如清咸丰《顺德县志》所记：“昔者五岭以南皆大海耳，渐为洲岛，渐成乡井，民亦藩焉。”
北魏郦道元《水经注》对东汉时的广州地貌有生动描述：“建安中，吴遣步骘为交州，骘到南海，见土地形势，观尉佗旧治处，负山带海，博敞渺目，高则桑土，下则沃衍，林麓鸟兽，于何不有？海怪鱼鳖、鼋鼍鲜鳄，珍怪异物，千种万类，不可胜记。佗因冈作台，北面朝汉，圆基千步，直峭百丈，顶上三亩，复道回环，逶迤曲折，朔望升拜，名曰朝台。前后刺史、郡守，迁除新至，未尝不乘车升履，于焉逍遥。骘登高远望，睹巨海之浩茫，观原薮之殷阜，乃曰斯诚海岛膏腴之地，宜为都邑。”
步骘所登朝汉台，即今南越王墓博物馆处。由此可知，东汉三国时广州城西一带，还是“巨海浩茫”，致令步骘将广州误作“海岛”。清代樊封《南海百咏续集》称：今西门口一带，“汉魏时，此处尚属汪洋耳”。清道光《南海县志》亦称：“唐宋前此处尚属濒海巨浸耳。”直到南汉宋初时，今中山六路以西，仍是水域宽广的河道，可停泊上千船只。清乾隆年间，有人在元妙观（在今中山六路）旁种菜，挖出一条古海船，在船舱里找到许多古钱币。从旁佐证古籍所述都是真实的。
秦汉以后，广州渐成人烟稠密的城市，在自然与人工双重作用力下，珠江河道北岸加快向南延伸。受测绘技术落后所限，古文献中，关于珠江广州河道岸线变迁的资料极为匮乏，清代以前几无任何记录。相传清光绪年间，兵部尚书彭玉麟来广东办理防务，与两广总督张之洞讨论起珠江宽度。彭说五里三分，张说七里三分，争持不下，番禺县知事程树屏打圆场说：“水涨七里三，水落五里三。两位大人说的都对。”从这段对话可知，珠江岸线随潮水涨退变化很大。
根据考古发现以及历年城区扩展、江岸地势、沙洲并岸、江滩淤积等情况，推测可出珠江岸线变化的概况：大约在晋代移至惠福西路，称坡山古渡，距今岸线1100米。惠福西路北侧，五仙古观东侧为红色砂砾岩岗地，名为坡山，清乾隆《南海县志》记：“坡山，在城内大市阛阓中，向在江干，相传晋时渡口，故称坡山古渡头……其顶有丹灶，其阳有穗石。”穗石是老城区中唯一的天然岩石露头，《广东新语》称：“城中天然之石惟此，余皆客石。”坡山南麓突出江边，状如岬角，是一处避风良港。
在五仙观内后殿东侧的原生红砂岩石上，如今仍可见一大一小两个凹穴，为古时坡山受海水回旋冲刷侵蚀而成的瓯穴，两穴互相连通，长约3米，宽约1米，状如人的脚印，凹穴下有泉眼，名为“陀泉”。民间传说，这是仙人留下的足迹。围绕凹穴砌石为池，名为“仙迹池”，池壁上嵌“仙人拇迹”石匾，为广州一处胜迹，明清两代均入选“羊城八景”，分别名“穗石洞天”和“五仙霞洞”。
南北朝的珠江北岸在华林寺前西来初地，距今岸线900米。隋代在杨仁里一线，距今岸线800米。唐代在西关泮塘上、下九路、大德路、文明路一线以南，距今岸线约700米。北宋在西关涌和玉带濠一线。元明两代的城西北岸已移至和平路一带。沿江滩石、沙洲不断发育，今天许多带“沙”“洲”字的地名，如黄沙、沙面、太平沙、筑横沙、永胜沙、大坦沙、琶洲、南洲、新洲、官洲、鳌洲、金沙洲等，都是当年的沙洲。清代江岸继续南展至十三行、西濠二马路一带。1931年，以海珠石并入北岸为标志，珠江广州河道两岸基本定形。
从化区、增城区、花都区的高丘陵，乃至更远的粤北大庾岭，宛如层层天然屏障，既阻挡了北地寒风，也留住了南海暖湿气流。在丛山环绕之间，大片溪谷平地、盆地、冲积平原和三角洲，分布在白云区西北部、花都区和从化区南部、中心城区、番禺区和南沙区。众多山地溪流，汇聚成大小河流，山随水行，水随山转，营造了一片山环水抱、藏风聚气的风水宝地。
受地势、气候等多种因素影响，广州的土壤类型较为复杂，海拔200米以下的低丘台地以砖红壤为主；海拔200~400米的低山、丘陵、台地地带，以赤红壤为主；在海拔400~800米的山地，分布着红壤；在海拔800米的山地，分布着黄壤和石质土。经过先民千百年的深耕易耨，改良土地，在河流冲积平原、三角洲沉积平原及各大、小谷地，是肥沃的农业耕作土壤，包括水稻土、菜园土、潮泥土、耕型赤红壤等类型。沿海一带的土壤以滩涂为主。
广州属亚热带气候，植物品种繁多，林木覆盖面广阔。清康熙《广州府志》记：“番禺以东至于从化，皆深山大林。”流溪河上游的吕田、良口、东明、流溪河林场、大岭山林场等地，森林茂密，以水源涵养林和用材林为主；中游为海拔800米以下山地，以种植蔬菜、花卉、水果和温泉的风景园林为主，下游则大部分已城镇化、工业化；增城区派潭、正果、福和、小楼等海拔400~800米低山、高丘地带，均生长着大片亚热带常绿阔叶季雨林群落和亚热带针阔叶混交林群落，主要有壳斗科、樟科、金缕梅科、胡桃科、玄参科等树木种类，还有石班木、九节目、山指甲等灌木以及各种藤本；在海拔800米以上的高地，则以灌木林及草本群落为主。
根据气候与地理特点，广州地区的人工植被多选择培育季风常绿阔叶林、针叶林和灌草丛植物群落，既有人工林，也有农作物群落和园林绿化植被。其中人工林含用材林、经济林等。用材林分布于丘陵、台地，主要有台湾相思林、木麻黄林、杉木林、桉树林和竹林等类型；经济林多为果林，分布广，面积大，以热带、亚热带和温带三大类为主，包括荔枝、龙眼、柑橙、杨桃、番木瓜、菠萝、番石榴、黄皮、橄榄及香蕉、大蕉等500多个品种；农作物群落包括水稻、甘蔗、花生、番薯、蔬菜等。