A área urbana de Sydney está em uma bacia costeira delimitada pelo Oceano Pacífico a leste, pelas Montanhas Azuis a oeste, pelo rio Hawkesbury ao Sul e do Royal National Park ao Sul. Localiza-se sobre um litoral submergido, onde o nível do oceano subiu formando profundos vales fluviais (Ria) esculpidos no arenito. Port Jackson, mais conhecido como Baía de Sydney, segue esses critérios e é o maior porto natural do mundo. A área de Sydney não é afectada por sismos significativos. A área urbana tem cerca de 70 portos e praias oceânicas, incluindo a famosa Bondi Beach. A área urbana de Sydney abrangia 1.687 km² em 2001. A divisão estatística de Sydney, usada para dados censitários, é não oficialmente a área metropolitana e abrange 12.145 km². Este área inclui o Central Coast, as Montanhas Azuis, e parques nacionais e outras áreas não urbanizadas.

Geograficamente, Sydney recai sobre duas regiões: o Cumberland Plain, uma região relativamente plana situada a sul e oeste do porto, e Hornsby Plateau, um planalto arenítico sobretudo a norte do porto e dissecado por vales íngremes.