Au centre de la péninsule italienne, Rome sépare l'Italie du Nord de l'Italie du Sud. En effet, la capitale est située à 187 km au nord-ouest de Naples, à 234 km au sud-sud-est de Florence, à 372 km à l'ouest-nord-ouest de Bari, à 424 km au nord de Palerme et à 479 km au sud-est de Milan. La ville est située dans la région du Latium, à la confluence de l'Aniene et du Tibre. Le centre-ville est situé à environ 25 kilomètres de la côte de la mer Tyrrhénienne, mais l'agglomération romaine s'étend jusqu'à celle-ci par le biais du Municipio X formant l'actuel quartier d'Ostie, appelée aussi Lido di Roma (Lido signifie « littoral » en Italien). C'est pourquoi Rome est une des rares capitales européennes à se prévaloir d'un littoral, et d'environ 20 km de plages. À proximité de la ville, on trouve à 30 km au nord-est le lac de Bracciano, et au sud-est à environ 20 km du centre les Castelli Romani, au milieu des collines des Monts Albains.
La ville est la plus étendue d'Italie, et l'une des plus vastes d'Europe, avec 1 285 km2 (soit douze fois la superficie de Paris intra muros). La petite surface du centre-ville, qui ne représente que 5 % de la commune, donne une impression erronée de sa superficie réelle. En effet la Commune de Rome est la troisième capitale la plus étendue d'Europe (après Moscou et Londres), et s'étend jusqu'au littoral de la mer Tyrrhénienne, 24 km plus loin. Elle comprend de nombreuses zones agricoles et des zones non construites, des parcs et des réserves naturelles, qui occupent les deux tiers de la surface de la cité. La partie urbanisée ne représente donc qu'un tiers de la ville, avec en conséquence une densité de population peu élevée (2 300 hab./km2, à comparer aux 21 000 de Paris ou aux 5 600 de Londres). Rome constitue donc un cas unique dans le monde occidental en raison de l'immensité de la campagne qui entoure la ville et de l'interpénétration de la ville et de la campagne.
L'altitude varie, d'un niveau proche de l'altitude 0 sur les bords du Tibre, en passant par 13 m au-dessus du niveau de la mer (sur la Piazza del Popolo, point le plus bas hors des berges) à 140 m (à Monte Mario). Le territoire de la ville présente des paysages naturels variés : des reliefs, avec des monts et des collines (y compris les Sept Collines historiques), des plaines, des zones de campagne (Agro Romano, avec des champs cultivés, des prés, des fermes, des allées de pins parasols), des « marranes » (fossés ou tranchées avec de petits ruisseaux), le fleuve Tibre et ses affluents, dont la rivière Aniene, une île fluviale (île Tibérine), et des zones côtières avec des forêts de pins, des dunes et des plages de sable (Capocotta), sur la côte de la mer Tyrrhénienne longeant le Lido di Ostia.
Le centre historique de Rome est dominé par les sept collines : Aventin, Cælius, Capitole, Esquilin, Palatin, Quirinal et Viminal, se situant toutes sur la rive gauche du Tibre qui traverse la ville en direction du Sud et au milieu duquel se trouve l'île Tibérine. Le centre-ville comprend également les collines du Janicule, du Pincio et du Vatican, ainsi que le relief artificiel de Monte Testaccio. Hors des murs se trouvent d'autres collines, plus élevées, comme le Monte Mario (140 m), le Mont Parioli ou le Mont Antenne. La ville antique était entourée par des murailles dont le mur d'Aurélien, une enceinte construite par l'empereur Aurélien en 270 pour protéger les quartiers qui s'étaient développés en dehors de la Muraille Servienne. Cette partie de Rome couvre environ 4 % de la superficie de la municipalité actuelle qui s'étend bien au-delà de l'espace proprement urbain.
Le centre historique est l'une des cités antiques les plus grandes du monde, il est divisé en 22 Rioni et comprend environ 300 hôtels, plus de 2 000 palais, 300 églises, 200 fontaines monumentales, plusieurs sites archéologiques, huit parcs, les principaux monuments de la ville, les institutions gouvernementales et des milliers de magasins, bureaux, bars et restaurants.
Le reste de la ville est divisé en quartiers urbains qui contiennent la majorité des immeubles modernes. La zone urbaine de la ville est coupée en deux par son périphérique, le Grande Raccordo Anulare (68 km, près du double du périphérique parisien), achevé en 1962, qui entoure le centre-ville à environ 10 km. La commune couvre environ trois fois la superficie totale du Raccordo. Au-delà se développent de nouveaux quartiers regroupant les secteurs tertiaires, et les nouveaux quartiers résidentiels débordant largement le périphérique (Torrenova, Acilia), et eux-mêmes ceinturés par le périphérique de l'autoroute A1 Milan-Naples.
Rome bénéficie d'un climat méditerranéen caractéristique des côtes méditerranéennes de l'Italie. Les hivers sont doux, et les coups de froid en provenance des Apennins sont infréquents. La neige est très rare. Les étés sont chauds et secs, mais influencés par la proximité de la mer. Un record absolu de chaleur a été mesuré le 3 juillet 1905 atteignant 44,6 °C au centre de Rome. Les précipitations atteignent leur maximum lors des pluies orageuses d'automne. La plus haute température à Rome fut de 44,6 °C le 4 août 1981 et la plus basse fut de −9,4 °C le 11 janvier 1985 à Ciampino. La commune est si vaste et son relief si varié qu'il peut y avoir des variations climatiques importantes, par exemple entre les quartiers nord et ceux du sud, ou entre le centre-ville et le littoral.