Madrid se nalazi u srcu Španije na 665 m nadmorske visine, smešten je na obali male reke Manzanares i pripada istorijskom predelu Kastilje. Severozapadno od grada izdiže se planina Sijera de Gvadarama sa vrhom Penjalara visine 2.429 m. Na istoku se pruža dolina Enares prožeta železničkim i autoputevima koji vode do Saragose i Barselone. Oko 50 km južno, na Tahu, smešten je Toledo, nekadašnji glavni grad Kastilje.
Zbog nadmorske visine od 665 m i kontinentalne klime, leta su toplija i suvlja, a zime u Madridu su hladnije od onih u primorskim gradovima na Sredozemlju.