Die Stadt liegt auf beiden Seiten des Untermains südöstlich des Taunus in Südwestdeutschland zentral im wichtigsten Wirtschaftsraum Deutschlands. Etwa ein Drittel des Stadtgebiets ist als Landschaftsschutzgebiet Frankfurter Grüngürtel ausgewiesen. Dazu gehört auch der Frankfurter Stadtwald, einer der größten Stadtwälder Deutschlands. Das Stadtgebiet erstreckt sich in Ost-West-Richtung über 23,4 Kilometer, in Nord-Süd-Richtung über 23,3 Kilometer.

Ihren höchsten natürlichen Punkt hat die Stadt an der Berger Warte auf dem Berger Rücken im Stadtteil Seckbach mit 212,6 Metern über Normalnull. Ihr tiefster Punkt liegt am Mainufer in Sindlingen bei 88 Metern über Normalnull. Die Stadt liegt am nördlichsten Rand der Oberrheinischen Tiefebene, die von Basel bis ins Rhein-Main-Gebiet reicht.

Der Flächenschwerpunkt sowie der geographische Mittelpunkt des heutigen Stadtgebietes liegen im Stadtteil Bockenheim in der Nähe des Westbahnhofes, also außerhalb des historischen Stadtkerns.