Hamburg liegt in Norddeutschland an den Mündungen der Bille und der Alster in die Unterelbe, die etwa 100 Kilometer weiter nordwestlich in die Nordsee mündet. Nahe dieser Mündung befindet sich der aus drei Inseln bestehende Stadtteil Neuwerk. An der Elbe erstreckt sich der Tidehafen etwa von der Veddel bis Finkenwerder, hauptsächlich auf dem Südufer der Norderelbe, gegenüber den Stadtteilen St. Pauli und Altona. Die beiden Ufer sind durch die Elbbrücken im Osten sowie durch den Alten und Neuen Elbtunnel verbunden. Das Land südlich und nördlich des Flusses ist Geest, höher gelegene Flächen, die durch die Sand- und Geröllablagerungen der Gletscher während der Eiszeiten entstanden sind. Die nördlichsten Bereiche der Stadt gehören zum fruchtbaren Jungmoränenland. Die unmittelbar am Fluss liegenden Marschen wurden auf beiden Seiten der Elbe über Jahrhunderte von Nebenarmen der Elbe durchzogen und vom Flutwasser der Nordsee überschwemmt, wobei sich Sand und Schlick abgelagert haben. Inzwischen ist die Elbe beidseitig eingedeicht, Nebenarme wurden trockengelegt, umgeleitet, kanalisiert oder abgedeicht. Alte Deichanlagen erinnern in den Außenorten noch an die Zeit, als bei Hochwasser ganze Viertel überflutet waren. Höchste Erhebung ist mit 116,2 m ü. NHN der Hasselbrack in einem Nordausläufer der Harburger Berge.

Die Alster in der Innenstadt wurde schon seit dem Mittelalter zu einem See aufgestaut. Dieser teilt sich in die größere Außenalster und die kleinere, vom historischen Kern der Stadt umschlossene Binnenalster. Die Zuflüsse der Alster – wie die Alster selbst – sind im Stadtgebiet zum Teil kanalisiert. Sie sind zumeist von ausgedehnten öffentlichen Parkanlagen gesäumt. Die zahlreichen Fleete, Flüsschen und Kanäle der Stadt werden von fast 2500 Brücken überspannt. Weithin unbekannt ist, dass sich auf der größten Flussinsel der Elbe, in Wilhelmsburg, einer der letzten Tideauenwälder Europas befindet.