Das Stadtgebiet hat eine Fläche von 105,4 Quadratkilometern. Das entspricht weniger als zwölf Prozent der Fläche Berlins. Die Metropolregion hat eine Bodenfläche von 14.518 Quadratkilometer. Das entspricht etwa der Fläche Schleswig-Holsteins.

Die Stadt liegt im Zentrum des Pariser Beckens durchschnittlich 65 Meter über dem Meeresspiegel. Die Seine tritt, je nach Wasserstand, mit einer Höhe von 25 Metern über Normalnull aus der Stadt aus. Paris ist umgeben von den beiden großen Stadtwäldern, die der Bevölkerung als Naherholungsgebiete dienen.

Der Meridian von Paris, der 1718 von Jacques Cassini festgelegt und 1806 von dem französischen Physiker Arago präzise berechnet wurde, bildete bis 1884 (Internationale Meridian-Konferenz in Washington) einen von vielen Nullmeridianen. Er führt mitten durch das Pariser Observatorium und wird durch mehrere Säulen sowie durch die 1995 von dem niederländischen Konzeptkünstler Jan Dibbets diskret in Straßenpflaster, Bürgersteige, Höfe und verschiedene Gebäude (unter anderem den Louvre) eingelassenen bronzenen Arago-Medaillons gekennzeichnet, eine Hommage an den Physiker und Menschenrechtler. Von den ursprünglich 135 bisher wenig beachteten Plaketten sind einige seit der Veröffentlichung von Dan Browns Erfolgsroman Sakrileg gestohlen worden. Der von Dan Brown gewählte Begriff „Rosenlinie“ ist eine Erfindung.

Paris befindet sich in der gemäßigten Klimazone. Die Jahresmitteltemperatur beträgt 10,9 Grad Celsius und die durchschnittliche Jahresniederschlagsmenge 585 Millimeter.

Der wärmste Monat ist der Juli mit 19,0 Grad Celsius im Mittel, der kälteste der Januar mit durchschnittlich 3,1 Grad Celsius. Der meiste Niederschlag fällt im Monat August mit 62 Millimeter im Mittel, der wenigste im März mit durchschnittlich 32 Millimeter.

Seit 1873 finden in Paris regelmäßige meteorologische Messungen statt. Die tiefste bisher festgestellte Temperatur betrug −23,9 Grad Celsius und stammt vom 10. Dezember 1879. Der Hitzerekord beträgt 40,4 Grad Celsius und wurde am 28. Juli 1947 im Parc Montsouris gemessen.

Das Pariser Becken bildet eine große Schichtstufenlandschaft. Schüsselförmig liegen hier die Schichten des Mesozoikums und des Paläogens (früher Alttertiär) ineinander und sind von der Abtragung zu einer weit gespannten Stufenlandschaft ausgearbeitet worden, deren Stufen sich jeweils nach außen richten.

Nur im östlichen Teil herrschen am Abfall dieser Stufen gegen die Saône-Furche tektonische Bruchlinien vor. Sie bewirken die steilen Abfälle des Plateaus von Langres und der Côte-d’Or (bis 636 Meter), die ebenfalls berühmte Weinbaugebiete sind, da sie im Regenschatten der Leeseite größere Sonnenscheindauer haben und zudem noch die Vorteile der Südexposition genießen.

Eine gewisse Ungleichförmigkeit besteht insofern, als die Schichtenfolge im nordöstlichen Teil vollkommener ist als im Westen. Die etwas stärkere Heraushebung des Ostflügels hat auch allgemein größere Höhenunterschiede und eine markantere Herausbildung der Stufen mit sich gebracht. Beckeneinwärts ragt als bedeutende Stufe die der Eozänen-Kalke auf, in deren Inneren die Île-de-France, das Ballungsgebiet von Paris, eingebettet liegt.

Die Seine verbindet Paris mit dem Landesinneren (Burgund) und mit dem Ärmelkanal. Sie war der wichtigste Faktor für die Entstehung und Entwicklung der Stadt, die auf der größten der seinerzeit zahlreichen Seineinseln ihren Ursprung fand. Sie spaltet die Stadt in zwei ungleiche Uferhälften, die nördliche, Handel und Finanzen geweihte rive droite (rechtes Ufer) und die südliche rive gauche (linkes Ufer), die mit dem Quartier Latin als Viertel der Intellektuellen angesehen wird und als Wohngegend gefragt ist.