Hàng Châu nằm ở phía Bắc tỉnh Chiết Giang, miền Đông Trung Quốc, ở đầu cuối phía Nam của Kinh Hàng Đại Vận Hà ("大运河"), trên vùng đồng bằng châu thổ ở hạ lưu sông Dương Tử. Toàn bộ thành phố ngang tỉnh Hàng Châu trải dài về phía tây tiếp giáp với vùng núi của tỉnh An Huy, phía đông là một vùng bằng phẳng cạnh vịnh Hàng Châu. Thành phố được xây dựng bao quanh mặt phía đông và phía bắc của Tây Hồ ("西湖"), phía chính bắc sông Tiền Đường.

Hàng Châu có khí hậu cận nhiệt đới ẩm với 4 mùa rõ rệt. Nhiệt độ trung bình hàng năm của Hàng Châu là 16,2 °C (61,2 °F). Mùa hè nóng ẩm, trong khi mùa đông mát mẻ và khô hanh. Vào tháng 7, tháng nóng nhất trong năm, nhiệt độ trung bình xấp xỉ 33,8 °C (92,8 °F); vào tháng 1 nhiệt độ trung bình khoảng 3,6 °C (38,5 °F). Lượng mưa hàng năm là 1450 mm. Vào giữa mùa hè, Hàng Châu và nhiều thành phố khác của tỉnh Chiết Giang phải hứng chịu khá nhiều cơn bão từ biển Hoàng Hải, nhưng hiếm khi bị các cơn bão tấn công trực tiếp. Hầu hết các cơn bão này gây ảnh hưởng đến Hàng Châu sau khi tác động dọc bờ biển Chiết Giang.