Birmingham nằm tại trung tâm của vùng West Midlands tại Anh, trên cao nguyên Birmingham tương đối cao, dao động từ 150 đến 300 m trên mực nước biển và có đường phân thuỷ bắc-nam chính của Anh đi qua, giữa các lưu vực sông Severn và Trent. Phía tây nam thành phố nằm trên vùng đồi Lickey,[98] vùng đồi Clent và đồi Walton, trong đó đồi Walton có độ cao 316 m và có tầm nhìn rộng bao quát thành phố. Birmingham chỉ có các sông suối nhỏ để thoát nước, chủ yếu là sông Tame cùng các chi lưu của nó là Cole và Rea.

Thành phố Birmingham thuộc một khu thành thị gồm khu tự quản nhà ở Solihull về phía đông nam, thành phố Wolverhampton và các thị trấn công nghiệp của Black Country về phía tây bắc, chúng tạo thành vùng đô thị hoá West Midlands bao phủ gần 600 km². Bao quanh nó là vùng đại đô thị của Birmingham, là một khu vực có liên hệ kinh tế mật thiết với thành phố thông qua việc làm – bao gồm thủ đô cũ của Mercia là Tamworth và thành phố nhà thờ chính toà Lichfield tại Staffordshire về phía bắc; thành phố công nghiệp Coventry và các thị trấn của hạt Warwickshire là Nuneaton, Warwick và Leamington Spa về phía đông; và các thị trấn của hạt Worcestershire là Redditch và Bromsgrove về phía tây nam.[99]

Phần lớn khu vực nay là thành phố Birmingham xưa kia là một phần phía bắc của rừng Arden cổ đại, vẫn có thể cảm nhận thấy chúng qua các cây sồi dày đặc trong thành phố và trong lượng lớn các địa danh có đuôi "-ley" như Moseley, Saltley, Yardley, Stirchley và Hockley: Trong tiếng Anh cổ -lēah nghĩa là "phát quang đất rừng".[100]

Về mặt địa chất, Birmingham chịu chi phối từ đứt đoạn Birmingham chạy chéo qua thành phố từ vùng đồi Lickey tại tây nam qua Edgbaston và Bull Ring, đến Erdington và Sutton Coldfield tại đông bắc.[101] Về phía nam và đông của đứt đoạn, mặt đất phần lớn là đá bùn Mercia mềm hơn, rải rác các thành lớp đá cuội bunter và có các thung lũng sông Tame, Rea và Cole cùng các chi lưu của chúng cắt ngang qua.[102] Về phía bắc và tây của đứt đoạn, cao hơn khu vực xung quanh từ 46 đến 183 m và nằm dưới phần lớn trung tâm thành phố, có một dãy dài sa thạch Keuper cứng.[103][104] Đá nền bên dưới Birmingham chủ yếu được định hình trong giai đoạn Permi và Trias.[101]

Birmingham có khí hậu hải dương ôn hoà giống như hầu hết quần đảo Anh, nhiệt độ tối đa trung bình vào mùa hè (tháng 7) là 21,3 °C; và trong mùa đông (tháng 1) là khoảng 6,7 °C.[105] Từ năm 1971 đến năm 2000 ngày ấm nhất trong năm trung bình có nhiệt độ cao nhất là 28,8 °C[106] và đêm lạnh nhất thường xuống -9 °C.[107] Khoảng 11,2 ngày mỗi năm sẽ đạt đến nhiệt độ từ 25,1 °C trở lên[108] và 51,6 đêm được ghi nhận là có sương giá.[109] Nhiệt độ cao nhất từng ghi nhận được là 34,9 °C vào tháng 8 năm 1990.[110] Giống như hầu hết các thành phố lớn khác, Birmingham có một hiệu ứng đảo nhiệt đô thị đáng kể.[111] Đêm lạnh nhất ghi nhận được vào ngày 14 tháng 1 năm 1982, nhiệt độ xuống còn -20,8 °C tại sân bay Birmingham bên rìa đông thành phố, song chỉ là -12,9 °C tại Edgbaston gần trung tâm thành phố.[112] Birmingham có tuyết rơi tương đối so với các khu thành thị lớn khác tại Anh Quốc, do có vị trí tại nội lục và độ cao tương đối lớn.[112] Từ năm 1961 đến năm 1990, sân bay Birmingham trung bình có 13 ngày tuyết nằm lại hàng năm,[113] so với 5,33 tạiLondon Heathrow.[114] Các cơn mưa tuyết thường đi qua thành phố theo đường kẽ hở Cheshire trên dòng khí tây bắc, song cũng có thể đến từ biển Bắc qua dòng khí đông bắc.[112] Thời tiết cực đoan hiếm gặp song thành phố có tiếng là phải hứng chịu các trận lốc xoáy, chẳng hạn như vào tháng 7 năm 2005 tại phần phía nam thành phố, gây thiệt hại cho nhà cửa và doanh nghiệp trong khu vực.[115]

Birmingham có 571 công viên[118] cao nhất trong số các thành phố châu Âu[119] – tổng cộng có 3.500 ha không gian mở công cộng.[118] Thành phố có trên sáu triệu cây xanh,[119] và 400 km các suối và dòng chảy đô thị.[118] Công viên Sutton có diện tích 971 ha tại phần phía bắc thành phố,[120] là công viên đô thị lớn nhất tại châu Âu và là một khu dự trữ tự nhiên quốc gia.[118] Vườn thực vật Birmingham nằm gần trung tâm thành phố, duy trì cảnh quan từ thời nhiếp chính trong thiết kế nguyên bản của J. C. Loudon vào năm 1829,[121] còn Vườn thực vật Winterbourne tại Edgbaston phản ánh phi chính thức hơn khiếu thẩm mỹ nghệ thuật và thủ công có nguồn gốc từ thời Edward tại đó.[122] Birmingham có nhiều khu vực hoang dã, được thiết lập phi chính thức như Project Kingfisher và công viên cấp hạt Woodgate Valley hoặc theo cách lựa chọn các công viên như seLickey Hills, Handsworth, Kings và Cannon Hill, Cannon Hull còn có Trung tâm Tự nhiên Birmingham.[123]