Dubai se nalazi na obali Persijskog zaliva na sjeverozapadu Ujedinjenih Arapskih Emirata. Dubai je glavni grad emirata koji se ponekad naziva i "Dubai City". Dubai ima najveću populaciju i drugi je po veličini emirat u okruženju, poslije Abu Dhabija. Emirat Dubai pokriva površinu od oko 3900 km2 , dok sam grad pokriva površinu od oko 35 km2.
Dubai graniči sa Abu Dhabijem na jugu, Šarja (Sharjah) na sjeveroistoku i državom Oman na jugoistoku.
Dubai se nalazi direktno na Arabijskoj pustinji. Ipak, topografija Dubaija se znatno razlikuje od ostalih južnih dijelova Ujedinjenih Arapskih Emirata po tome što je predio Dubaija istaknut pjeskovitim pustinjskim obrascima, dok pustinjski šljunak dominira velikim dijelom južne regije ove zemlje. Pijesak se u većinskom dijelu sastoji od zdrobljenih školjki i korala, a na izgled je bistar, čist i bijel. Istočno od grada, naslage soli, poznatije kao sabkha, prate liniju obale sve do sjevernih dina. Dalje na istok, dine se povećavaju i postaju crvenkastije, miješaju se sa oksidima jona. Ravna pustinja se smjenjuje sa Zapadnim Hajar planinama, koje se prostiru duž granice Dubaija sa Omanom. Zapadne Hajar planine se dižu do oko 1.300 m nadmorske visine na nekim mjestima. Dubai nema prirodne oaze ali ima prirodan pristup moru, putem Dubai potoka.Seizmatički, Dubai je veoma stabilna zona - najbliža seizmička linija se prostire oko 120 km udaljeno od Ujedinjenih Arapskih Emirata i nije vjerovatno da ima bilo kakav seizmički efekat na Dubai. Naučnici mogu predvidjeti da je mogućnost cunamija u regiji minimalna zato što vode u Persijskom zalivu nisu duboke da bi mogle da započnu cunami.
Pjeskovita pustinja koja okružuje grad je povoljna za rast divljih trava i nekih vrsta palminog drveća. Pustinjski ljiljani rastu na sabkha dinama, dok bagrem raste blizu Zapadnih Hajar planina. Nekoliko ugroženih vrsta biljaka, pogotovo palmi, rastu u nacionalnim parkovima Dubaija. Više od 320 ptica selica prolaze kroz emirat u toku proljeća i jeseni. Vode Dubaija su dom za više od 300 vrsta raznih riba.
Potok Dubai (Dubai Creek) dijeli grad na dva dijela. Teče u pravcu sjeveroistok-jugozapad kroz grad. Istočni dio grada čini četvrt (oblast) Deira i nalazi se pored emirata Šerja na istoku i grada Al Avir (Al Aweer) na jugu dok se južni dio zove Bur Dubai.