Barcelona liegt im Nordosten der iberischen Halbinsel an der Küste des Mittelmeeres auf einem 5 Kilometer breiten Plateau, das von der Bergkette Collserola und den Flüssen Llobregat im Süden sowie Besòs im Norden begrenzt wird. Die Pyrenäen liegen ca. 120 Kilometer nördlich der Stadt.

Die Collserola, Teil des Küstengebirges, bildet den sanft gerundeten Hintergrund der Stadt. Sein höchster Punkt, der Tibidabo, ist 512 m hoch und wird von dem 288,4 m hohen und weithin sichtbaren Sendeturm Torre de Collserola überragt. Die Stadt ist von kleinen, meist bebauten Hügeln durchzogen, die den auf ihnen errichteten Vierteln den Namen gaben: Carmel (267 m), Monterols (121 m), Putxet (181 m), Rovira (261 m) und Peira (133 m). Der Berg Montjuïc (173 m) liegt im Südwesten und überblickt den Hafen. Auf ihm liegt auch die Festung aus dem 17. und 18. Jahrhundert, die als Ersatz für die Ciutadella die Stadt kontrollierte. Heute ist die Festung ein Militärmuseum, und der Berg beherbergt einige olympische und kulturelle Einrichtungen sowie bekannte Gärten.

Im Norden grenzt die Stadt an die Gemeinden Santa Coloma de Gramenet und Sant Adrià de Besòs, im Süden an L’Hospitalet de Llobregat und Esplugues de Llobregat, im Südosten liegt das Mittelmeer und im Westen liegen Montcada i Reixach und Sant Cugat del Vallès sowie Cerdanyola del Vallès.