Thành phố Đài Trung nằm trên bồn địa Đài Trung[5] dọc theo đồng bằng ven biển chính phía tây trải dài từ phía bắc Đài Loan cho đến mũi phía nam của đảo.

Dãy núi Trung ương nằm ở phía đông của thành phố. Thấp hơn, các vùng đồi lượn sóng chạy ở phía bắc dẫn đến huyện Miêu Lật. Đồng bằng ven biển thống trị phong cảnh ở phía nam và kéo dài đến huyện Chương Hóa và eo biển Đài Loan ở phía tây.

Đài Trung có khí hậu cận nhiệt đới ẩm (Köppen Cwa), với nhiệt độ trung bình là 23,0 °C (73,4 °F), và lượng mưa trung bình hàng năm trên 1.700 milimét (67 in).[6] Thành phố có độ ẩm trung bình là 80%. Đài Trung có khí hậu ôn hòa hơn các thành phố chính khác tại Đài Loan. Do được bảo vệ bởi dãy núi Trung ương ở phía đông và vùng đồi Miêu Lật ở phía bắc, Đài Trung hiếm khi phải hứng chịu thiệt hại từ các cơn bão nhiệt đới. Tuy nhiên, các cơn bão bắt nguồn từ biển Đông sẽ đặt ra mối đe dọa với thành phố, bằng chứng là bão Wayne vào năm 1986 đã tấn công Đài Loan từ bờ biển phía tây gần Đài Trung.[7]