Рио-де-Жанейрорасполагается на полосе Атлантического побережья Бразилии, вблизи от Тропика Козерога, 22°54" Ю. Ш. 43°14" З. Д. В основном город ориентирован на юг. Город был основан у бухты Гуанабара, вход в которую предваряет гора под названием Сахарная Голова, «визитная карточка» города.
Центр Рио находится на равнинах западного берега бухты Гуанабара. Большая часть города, так называемая Северная зона, располагается на северо-западных равнинах, холмах и небольших скалистых горах. Южная зона города — пляжи, обрамляющие море — отделена от центральной и северной части города прибрежными горами. Эти горы и холмы являются ответвлением Серра-ду-Мар, древней горной системы в юго-восточной части Бразилии, которая образует южные склоны Бразильского плоскогорья. Свободный доступ в обширную Западную зону, отсечённую горными хребтами, был открыт к концу XX века с появлением новых дорог и туннелей.
Город занимает площадь 1260 км². Рио-де-Жанейро был столицей до 1960 года, теперь столицей является город Бразилиа.