白云区位于广州市中北部，东临增城区、黄埔区、天河区，南连荔湾区、越秀区，西临佛山市南海区，北连花都区、从化区。区境位于东经113°08′36″～113°34′52″、北纬23°07′03″～23°25′53″。

  白云区地处北回归线以南，属南亚热带季风气候区，季风环流盛行。冬季处于大陆高压东南边缘，多吹来自大陆的偏北风，因有南岭等山脉作屏障，阻隔北方南下寒潮，又可使冷空气锋面停滞，形成阴雨，故冬季不致严寒干燥。夏季主要受太平洋高压影响，多吹来自海洋的偏南风，因南岭山脉及区境内东北高、西南低的地形特点，可截留大量水蒸气上升成雨，故夏季不至于酷热。热量丰富，雨量充沛，霜雪稀少，四季分明，春夏之间多暴雨，夏秋之间多台风。

  2023年，白云区天气气候具有“旱涝急转开汛早，暴雨频繁且年内分布不均衡，高温早且强，台风影响较重，年尾寒潮来袭”的特点，年平均气温23.9℃，较近十年平均偏高0.3℃；降雨量1858毫米，与近十年持平；年内受2个台风影响，其中台风“泰利”影响显著。

  白云区地势北部与东北部高，西部和南部低。以广从断裂带和瘦狗岭断裂带为界，广从断裂带以东，瘦狗岭断裂带以北，是白云山—萝岗低山丘陵地区，中有山间冲积平原，如金坑河冲积而成的穗丰、兴丰两个小盆地，良田坑冲积而成的白米洞，凤尾坑冲积而成的九佛洞等；广从断裂带以西，主要是流溪河冲积平原和珠江三角洲平原。

  北部及东北部以低山为主，谷深坡陡，基岩是坚硬的、块状的变质岩和花岗岩。在低山的边缘地带，如新广从公路东侧、旧广从公路大源以南两侧，展布着一系列丘陵，其基岩是抗风化力较弱的中粗粒花岗岩，故山顶浑圆，山坡平缓。

  在丘陵区的南部边缘，沿瘦狗岭断裂带走向是一片带状的台地，区境内西起走马岗、桂花岗，接天河区境的横枝岗、瘦狗岭、下元岗，一直延伸到黄埔区的火村、刘村。白云山西麓，是丘陵与山前平原相接地带，展布着一系列北东向的山前洼地和台地，与冲积平原相间，组成了流溪河波状平原。

区境内的帽峰山海拔534.9米，为广州市内最高山峰。全区海拔200米以上的高山有摩星岭（372米）、牛头山（363.8米）、杨大岭（349米）、寻冈（318.3米）、大盆围（303米）、刘村大山（273.6米）、尺岩崖（251）米、荔枝山（240米）、人头岭（232米）。

  区境内的河流属珠江水系。受地势影响，河流多从东北流向西南，从东流向西或从北流向南，分别流入珠江、白坭河、流溪河，也有少数经天河区流入东江。主要河流有流溪河、白坭河、珠江（西航道）等。

  流溪河发源于从化桂峰山，因由众多溪流涧水汇集成而得名。干流长157千米，集水面积2300平方千米。从白云区东北部钟落潭镇湖村入境，流经黎家塘、长沙埔、钟落潭、龙岗、寮采、米岗、龙塘、虎塘、高增、鸦湖、秀水、南方、清河、石马、唐阁、龙湖、滘心、南岗等村，至鸦岗村附近三江口与白坭河汇合流入珠江（西航道）。白云区境内干流长50千米，集水面积529平方千米。

  中华人民共和国成立以来，流溪河干流、支流均已进行开发利用，上游从化、花都境内，建有中小型水库多个，拦河坝多座，用以调节流量。白云区建成人和拦河坝，引水流量2立方米每秒，设计灌溉面积2万亩。各支流上建成新陂、白汾、南塘、沙田、铜锣湾、和龙、梅窿、大源、红路、磨刀坑等水库，库容共4303万立方米，控制集雨面积59.8平方千米。

  白坭河又称巴江河，发源于花都天堂顶，于洲咀口汇合新街河流入白云区。经神山、江高至鸦岗附近三江口汇合流溪河，流入珠江（西航道）。白坭河干流全长53千米（区境河段长约10千米），集水面积788平方千米。主要支流有芦苞涌、西南涌（在佛山市三水区境内）、国泰河（在花都区境内），上游与北江相通。白坭河是北江洪水下泄的主要通道，每年汛期，对神山、江高、石井、新市等地区造成很大威胁。另一支流新街河发源于花都福源（梯顶大坑），经大岭、罗溪、南浦至洲咀口流入白坭河。新街河干流长43.4千米，集水面积425平方千米。白云区境内河段长10千米，集水面积18平方千米。

  广州市境内珠江干流长52千米（按以前航道计），白云区境内河段长16千米，境内集水面积129.7平方千米。珠江在区境内的主要支流有石井河、新市涌。

  白云区山、水、城、田交融，风景秀丽，气候宜人。辖区内有国家AAAAA级风景名胜区白云山和森林覆盖率高达95%的帽峰山森林公园，让白云区成为广州的“绿肺”。南湖国家级旅游度假区、广州市中心首个国家级水利风景区白云湖碧嵌于内，大小水库山塘点缀，河湖交织，水土丰美。