Thành phố Thủ Dầu Một nằm ở phía tây nam tỉnh Bình Dương, có sông Sài Gòn chảy men theo ở phía tây và có vị trí địa lý:

• Phía đông giáp thị xã Tân Uyên.
• Phía tây giáp Thành phố Hồ Chí Minh.
• Phía nam giáp thành phố Thuận An.
• Phía bắc giáp thị xã Bến Cát.

Thành phố Thủ Dầu Một có diện tích tự nhiên 118,67 km² và 325.551 người[4] có đăng ký cư trú (thống kê ngày 01/04/2019), dân số quy đổi bao gồm cả người không đăng ký cư trú khi nâng cấp lên đô thị loại I năm 2017 là 502.976 người.[5]