ঢাকা জেলা বাংলাদেশের কেন্দ্রীয় অংশে, নিম্ন গাঙ্গেয় ব-দ্বীপ সমভূমির উপর অবস্থিত। জেলাটি প্রায় ২৩●৪২′ থেকে ২৩●৫৪′ উত্তর অক্ষাংশ এবং ৯০●২০′ থেকে ৯০●২৮′ পূর্ব দ্রাঘিমাংশের মধ্যে বিস্তৃত। এটি ঢাকা বিভাগের সদর দপ্তর এবং একই সঙ্গে বাংলাদেশের রাজধানী শহর ঢাকাকে ধারণ করে। জেলাটির চারপাশে রয়েছে একাধিক গুরুত্বপূর্ণ জেলা, যা একে যোগাযোগ ও বাণিজ্যের দিক থেকে কৌশলগতভাবে গুরুত্বপূর্ণ অবস্থানে রেখেছে।

ঢাকা জেলার মোট আয়তন প্রায় ১,৪৬৩.৬০ বর্গ কিলোমিটার (৫৬৫.১ বর্গমাইল), যা একে আয়তনের দিক থেকে দেশের তুলনামূলকভাবে ছোট জেলাগুলোর একটি করে তুলেছে, যদিও জনসংখ্যার দিক থেকে এটি সবার শীর্ষে। জেলার ভূপ্রকৃতি মূলত সমতল পলল সমভূমি, যা মূলত পদ্মা, মেঘনা ও যমুনা নদীব্যবস্থার বাহিত পলিমাটি দ্বারা গঠিত। এখানে মধুপুর ট্র্যাক্টের রক্তাভ লাল মাটির কিছু উঁচু ভূমি (যেমন সাভার ও ধামরাই অঞ্চলে) দেখা যায়, আবার নদীর কাছাকাছি নিচু প্লাবনভূমিও (বিশেষত কেরানীগঞ্জ ও দোহার অঞ্চলে) বিস্তৃত। বর্ষা মৌসুমে জেলার দক্ষিণাঞ্চলীয় নিম্নভূমি প্রায়ই সাময়িক বন্যা ও জলাবদ্ধতার শিকার হয়।

ঢাকা জেলার জলবায়ু ক্রান্তীয় মৌসুমি প্রকৃতির, যেখানে সুস্পষ্ট তিনটি ঋতু লক্ষ করা যায় — গ্রীষ্ম, বর্ষা ও শীত। গ্রীষ্মকালে (মার্চ-জুন) তাপমাত্রা সর্বোচ্চ প্রায় ৪১● সেলসিয়াস পর্যন্ত উঠতে পারে, আর শীতকালে (ডিসেম্বর-ফেব্রুয়ারি) সর্বনিম্ন তাপমাত্রা প্রায় ১১-১২● সেলসিয়াসে নেমে আসে। বর্ষা মৌসুম (জুন-অক্টোবর) দক্ষিণ-পশ্চিম মৌসুমি বায়ুর প্রভাবে ভারী বৃষ্টিপাত নিয়ে আসে, এবং জেলার গড় বার্ষিক বৃষ্টিপাত প্রায় ১,৯৩১ মিলিমিটার। উচ্চ আর্দ্রতা ও ঘনবসতির কারণে নগর এলাকায় "তাপদ্বীপ" (আরবান হিট আইল্যান্ড) প্রভাবও লক্ষণীয়।