San Francisco nằm trên Tây Duyên hải Hoa Kỳ ở đầu bắc của bán đảo San Francisco. Địa giới của thành phố bao gồm một số vùng nước đáng kể thuộc Thái Bình Dương và vịnh San Francisco. Một vài đảo - Alcatraz, đảo Treasure và đảo Yerba Buena lân cận, và một số phần nhỏ của đảo Alameda, đảo Red Rock, và đảo Angel - là một phần của thành phố. Ngoài ra còn có quần đảo Farallon không người, nằm xa khoảng 27 dặm (43 km) trong Thái Bình Dương. Phần đất chính bên trong địa giới của thành phố gần như hình thành nên một "hình vuông có mỗi cạnh dài 7 dặm," đây là lối nói thông tục địa phương phổ biến để chỉ hình thể của thành phố mặc dù tổng diện tích của nó bao gồm vùng nước là gần 232 dặm vuông Anh (600 km2).

San Francisco lừng danh vì những ngọn đồi của nó.Có hơn 50 ngọn đồi bên trong địa giới thành phố.[58] Một số khu dân cư được đặt tên của ngọn đồi mà chúng nằm trên đó trong đó phải kể là Nob Hill, Potrero Hill, và Russian Hill (từ Hill có nghĩa là đồi). Gần trung tâm địa lý của thành phố, ở phía tây nam khu vực phố chính, là một loạt các ngọn đồi có ít dân cư sinh sống. Twin Peaks là một cặp đồi hình thành nên điểm cao nhất của thành phố. Đây là một điểm quan sát được ưa thích để nhìn xuống bên dưới. Ngọc đồi cao nhất của San Francisco có tên Núi Davidson cao 925 foot (282 m) và có một cây thánh giá cao 103 foot (31 m) được xây dựng năm 1934.[59] Cao vượt hẳn khu vực này là tháp Sutro, một tháp truyền hình và radio lớn màu trắng đỏ.

Các đoạn đứt gãy địa chất San Andreas và Hayward là nguyên nhân của nhiều hoạt động địa chấn gây động đất tuy rằng cả hai vết đứt gãy này thật sự không đi qua thành phố. Vết đứt gãy San Andreas gây ra trận động đất năm 1906 và năm 1989. Các trận động đất nhỏ xảy ra đều đặn. Mối đe dọa của các trận động đất lớn đóng vai trò lớn trong việc phát triển cơ sở hạ tầng của thành phố. Thành phố xây dựng hệ thống cung cấp nước hỗ trợ và liên tục nâng cấp quy định tiêu chuẩn nhà cao tầng, bắt buộc gia cố thêm các tòa nhà cũ và tiêu chuẩn kỹ thuật cao đối với các công trình xây cất mới.[60] Tuy nhiên, hàng ngàn tòa nhà nhỏ hơn vẫn có thể dễ dàng bị hư hại khi động đất.[61]

Đường bờ biển của San Francisco đã và đang phát triển ra bên ngoài địa giới tự nhiên của nó. Toàn bộ các khu dân cư như Marina, Mission Bay, và Hunters Point cũng như các phần lớn của Embarcadero nằm bên trên các khu san lấp lấn biển. Đảo Treasure được xây dựng từ đất nạo vét trong vịnh cũng như đất đá lấy từ công trình xây dựng đường hầm đi qua đảo Yerba Buena trong lúc xây dựng cầu bắt qua vịnh. Phần đất như thế có chiều hướng không bền vững lúc động đất. Sự hóa lỏng đất sau động đất sẽ gây thiệt hại nặng nề cho nhà cửa bất động sản được xây dựng bên trên như đã được thấy tại khu Marina trong trận động đất Loma Prieta năm 1989.[62] Phần lớn các dòng nước tự nhiện của thành phố như lạch Islais và lạch Mission bị nhà cửa và các công trình xây dựng bên trên mặc dù Ủy ban Công chánh San Francisco đang nghiên cứu các đề nghị khai thông lộ thiên hay khôi phục lại một số con lạch.[63]

Khí hậu

Một câu trích dẫn phổ biến được hiểu lầm là của Mark Twain được đọc như sau "Mùa đông lạnh nhất mà tôi đã từng trải qua là một mùa hè tại San Francisco".[64][65] Khí hậu San Francisco có đặc điểm khí hậu Địa Trung Hải của duyên hải California mát mẻ vào mùa hè[66], "thường thường có mùa đông ôn hòa ẩm ướt và mùa hè khô khan".[67] Vì nó bị bao quanh ba phía là nước nên khí hậu San Francisco bị ảnh hưởng mạnh bởi những dòng nước lạnh của Thái Bình Dương, làm điều hòa sự thay đổi nhiệt độ và tạo ra khí hậu quanh năm tương đối ôn hòa với chút ít thay đổi nhiệt độ theo mùa.

Trong số các thành phố lớn của Hoa Kỳ, San Francisco có các nhiệt độ thấp nhất, cao nhất và trung bình hàng ngày lạnh nhất so với các nơi khác vào tháng 6, tháng 7 và tháng 8.[68] Vào mùa hè, không khí nóng bốc lên cao tại các thung lũng nội địa của California tạo nên một khu vực áp thấp, kéo theo gió từ Bắc Thái Bình Dương thổi qua Golden Gate và tạo nên gió lạnh và sương mù đặc biệt của thành phố.[69] Sương mù ít thấy hơn ở các khu dân cư phía đông cũng như ít thấy hơn trong suốt giai đoạn cuối hè và đầu thu, đây là giai đoạn ấm nhất trong năm.

Vì địa hình phức tạp và ảnh hưởng của biển, San Francisco có vô số vi khí hậu riêng biệt. Các ngọn đồi cao tại trung tâm địa lý của thành phố chịu trách nhiệm cho 20% phương sai về lượng mưa hàng năm giữa các phần khác nhau của thành phố. Chúng cũng trực tiếp bảo vệ các khu dân cư ở phía đông tránh khỏi sương mù và đôi khi điều kiện thời tiết rất lạnh và gió mà khu Sunset hứng chịu. Đối với những ai sống bên phía đông thành phố, San Francisco có nắng nhiều hơn với con số trung bình 260 ngày bầu trời sáng và chỉ có 105 ngày có mây trong một năm.

Trung bình nhiệt độ vượt 75 °F (24 °C) chỉ trong khoảng 29 ngày một năm.[70] Vào mùa khô từ tháng năm đến tháng 10, nhiệt độ từ ôn hòa cho tới ấm với nhiệt độ cao trung bình là 64–71 °F (18–22 °C) và nhiệt độ thấp trung bình là 51–56 °F (11–13 °C). Vào mùa mưa từ tháng 11 đến tháng 6, nhiệt độ hơi lạnh hơn với nhiệt độ cao trung bình là 58–64 °F (14–18 °C) và thấp trung bình là 46–51 °F (8–11 °C). Trung bình, có 73 ngày mưa một năm, và lượng mưa trung bình hàng năm là 23,6 inch (599,44 mm)[Chuyển đổi: Số không hợp lệ]. Tuyết rơi trong thành phố thì rất hiếm với chỉ 10 lần tuyết rơi có độ dày đáng kể được ghi nhận từ năm 1852, gần đây nhất là vào năm 1976 khi có đến 5 inch (130 mm) tuyết rơi trên Twin Peaks.[71][72]

Nhiệt độ cao kỷ lục nhất được văn phòng Cục Thời tiết Quốc gia Hoa Kỳ ghi nhận chính thức là 103 °F (39 °C) vào ngày 17 tháng 7 năm 1988, và ngày 14 tháng 6 năm 2000. Nhiệt độ thấp kỷ lục nhất là 27 °F (−3 °C) vào ngày 11 tháng 12 năm 1932.[73] Cục Thời tiết Quốc gia Hoa Kỳ cung cấp trợ giúp về hình ảnh có ích[74] cho việc vẽ họa đồ thông tin trong bảng dưới dây để biểu thị rõ từng tháng với nhiệt độ tiêu biểu hàng năm, nhiệt độ năm trước và nhiệt độ kỷ lục.