La ciudad está localizada en el vértice nororiental del departamento del Atlántico, sobre la orilla occidental del río Magdalena, a 7,5 km de su desembocadura en el mar Caribe. Tiene una extensión de 154 km² equivalentes al 4,5 % de la superficie del departamento del Atlántico.

El área urbana está edificada sobre un plano ligeramente inclinado cuyas alturas extremas, según el Instituto Geográfico Agustín Codazzi, son 4 msnm al oriente y 98 msnm al occidente. Otras fuentes señalan alturas accidentales en las lomas, hasta de 120 metros fuera de la ciudad. Según Google Earth, la altura de la ciudad varía entre los 0 msnm en el tajamar occidental, hasta máximo 142 msnm en el barrio Los Nogales.

Políticamente, Barranquilla limita al oriente con el departamento del Magdalena (de por medio el río Magdalena), al norte con el municipio de Puerto Colombia y con el Mar Caribe (predios de la ciénaga de Mallorquín, tajamar occidental y Puerto Mocho), al occidente con los municipios de Puerto Colombia, Galapa y Tubará y al sur con el municipio de Soledad.

El clima de Barranquilla es de tipo tropical seco o xeromegaterno tropical, es decir, correspondiente a una vegetación propia de la sequedad y bajo altas temperaturas.

La temperatura promedio es de 27,4 °C. De noviembre hasta principios de abril, coincidiendo con el invierno boreal, soplan los vientos alisios del noreste, mitigando en parte el intenso calor. Hacia fines de junio soplan los alisios del sureste, produciendo el Veranillo de San Juan. Es por esto que en esa época se vive un ambiente parecido a diciembre.

El régimen de precipitación de Barranquilla se rige por dos periodos: uno seco, de diciembre a abril, y otro lluvioso que abarca de abril a principios de diciembre. En abril o mayo empiezan las lluvias de "primera". Hacia fines de junio, gran parte de julio y a veces en agosto, tiende a disminuir la lluvia, constituyéndose una "seca" conocida como veranillo de San Juan. La precipitación anual promedio es de 821 mm. La distribución de las temporadas seca y lluviosa está en la ilustración.
(PARA VER LA IMAGEN COMPLETA PRESIONAR CLIC CONTEXTUAL Y DAR EN LA OPCION ´´abrir imagen en pestaña nueva´´)

Según el Instituto Geográfico Agustín Codazzi, a Barranquilla corresponde una vegetación de bosque muy seco tropical (bms-T), el cual incluye especies como cactáceas, manglares, tuna de penca, cardón, trupillo o cují, dividivi, roble morado, uvito y variedades de acacia como la roja y la forrajera. En la vega anegadiza del río Magdalena se dan la taruya, enea, bijao, buchón de agua, palma de corozo, caracolí, higuerón, olla de mono. En el casco urbano son comunes árboles como el matarratón, el matarratón extranjero, el indio encuero, el almendro, el pino común, variedades de ceiba como la bonga, la blanca y la de majagua, el árbol de caucho, el balso, la coca cartagenera, el oití, el caucho de la India, el caucho cartagenero, el tulipán africano, el carito orejero, el campano, el olivo, el coralibe, el melina, el pivijay, San Joaquín, el roble amarillo, el pico de loro, la salchicha, la caoba, el clemón, el camajorú, el palo de María, el trébol, la uvita mocosa, el cocotero, el laurel, el guásimo, el pisquín, el caraqueño, el totumo, la lluvia de oro, la uva mora, el nim, el jaboncito y variedades de palmas como la real y la robellini.

Entre los árboles frutales sobresalen el mango, el níspero, el mamón, la guayaba, la uva playa, la guinda, el anón, el tamarindo, la ciruela, el marañón, laguanábana, el limonero y el limoncillo.

El ecosistema urbano no favorece la reproducción de especies nativas, de las cuales se encuentran escasos ejemplares en la periferia y en los arroyos de los barrios El Country y La Victoria (Jardín Botánico). Algunas de las especies animales que se pueden encontrar en la ciudad son aves como el mochuelo, el cucarachero, la tierrelita, la cocinera o maría mulata y el loro; peces como la lisa y el lebranche (Ciénaga de Mallorquín); insectos como mariposas,moscas, mosquitos, jején, cucarachas y comején; mamíferos como perros y gatos domésticos, monos y roedores como la ardilla; reptiles como iguanas,culebras, morrocoyes y lobitos. En algunos sectores como el mercado y la periferia circulan equinos (caballos y burros) y se crían vacunos, porcinos y caprinos.

El 13,2% de la población residente en Barranquilla se autorreconoce como raizal, palenquero, negro, mulato, afrocolombiano o afrodescendiente; el 0,1% como indígena, y el 0,2% como rom.Completan la composición étnica de la ciudad las razas caucásica y mestiza, así como pequeñas comunidades semitas (judíos y árabes del Medio Oriente).

Aguas superficiales

• Marítimas: desde la franja izquierda del tajamar occidental en la desembocadura del río Magdalena hasta los límites con Puerto Colombia.

• Fluviales: río Magdalena; sistema de caños del río: Arriba, Los Tramposos, La Ahuyama, del Mercado, C y La Tablaza o Las Compañías; los arroyos de los barrios el Country, Rebolo, Santo Domingo, Las Américas y el Bosque; El Lindero, El Platanal, El Salado, El Salado 2, Don Juan, Hospital, La Paz, Bolívar, Felicidad, Coltabaco, Siape, de la calle 92, de las carreras 8, 15, 19, 51, 53, 58, 65 y 71; aguas lacustres como las ciénagas de Mallorquín y de San Nicolás.

Aguas subterráneas

El norte de Barranquilla, a partir de los 11° latitud norte, corresponde a una región «con posibilidades de buenas infiltraciones de agua pluvial», en tanto que la parte meridional aparece como «de poca infiltración, de suelo pobre y con posibilidades de inundación por lluvia».