アメリカ合衆国統計局によると、この都市は総面積370.2 km2（142.9mi2）である。このうち359.4km2（138.8mi2）が陸地で10.8km2（4.2mi2）が水地域である。総面積の2.92%が水地域となっている。

デトロイトはメトロ・デトロイトと東南ミシガン地方の主要都市である。デトロイトで最も高い標高は670フィート（204m）で、大学地区の北西部デトロイトである。逆に、最も低い標高は河岸地域で、579フィート（176m）である。東にはデトロイト川を隔ててカナダのオンタリオ州ウィンザーがあり、デトロイトは主要都市のなかでカナダとの国境に接する唯一の都市である。

同市はハムトラミックとハイランド・パークを内包しており、北東の都市堺にはグロス・ポイントがある。ワイアンドット国立野生動物保護区はアメリカ合衆国で唯一の国際野生動物保護区である。保護区には、デトロイト川と西エリー湖の湖岸線48マイル（77km）に沿って島、沿岸の湿地、沼地、浅瀬帯、ウォーターフロントの地域が含まれている。

3つのフランス式大通りがデトロイトの道路網を交差している。ワシントンD.C.から影響された放射大通りとオハイオ川北西部の道路網をなす東西を結ぶ大通りである。カナダのウィンザーへの交通網は4つあり、そのうち2つの自動車道でアンバサダー・ブリッジとデトロイト・ウィンザー・トンネルがある。鉄道網ではミシガン・セントラル鉄道（英語版）のトンネルがデトロイト川の下を通っており、残りはデトロイト・ウィンザー・トラック・フェリーによる海路である。フェリーの乗り場は、ウィンザー・ソルト・マインとツーク島である[17]。
気候

ケッペンの気候区分では亜寒帯湿潤気候（Dfa）に属する。

デトロイト・メトロポリタン国際空港（1981?2010年、極値1874年- ）の気候
月1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月年
最高気温記録 °C （°F）19
(67)21
(70)30
(86)32
(89)35
(95)40
(104)41
(105)40
(104)38
(100)33
(92)27
(81)21
(69)41
(105)
平均最高気温 °C （°F）0
(32.0)1.8
(35.2)7.7
(45.8)15.1
(59.1)21.1
(69.9)26.3
(79.3)28.6
(83.4)27.4
(81.4)23.3
(74.0)16.4
(61.6)9.3
(48.8)2.3
(36.1)15
(59.0)
平均最低気温 °C （°F）?7.2
(19.1)?6.1
(21.0)?1.9
(28.6)4.1
(39.4)9.7
(49.4)15.3
(59.5)17.7
(63.9)17
(62.6)12.6
(54.7)6.3
(43.3)1.3
(34.3)?4.4
(24.1)5.4
(41.8)
最低気温記録 °C （°F）?29
(?21)?29
(?20)?20
(?4)?13
(8)?4
(25)2
(36)6
(42)3
(38)?2
(29)?8
(17)?18
(0)?24
(?11)?29
(?21)
降水量 mm （inch）49.8
(1.96)51.3
(2.02)57.9
(2.28)73.7
(2.90)85.9
(3.38)89.4
(3.52)85.6
(3.37)76.2
(3.00)83.1
(3.27)64
(2.52)70.9
(2.79)62.5
(2.46)850.1
(33.47)
降雪量 cm （inch）31.8
(12.5)25.9
(10.2)17.5
(6.9)4.3
(1.7)?0
(0)0
(0)0
(0)0
(0)0.3
(0.1)3.8
(1.5)24.4
(9.6)108
(42.5)
平均降水日数 （?0.01 in）13.110.611.712.212.110.210.49.69.59.811.613.7134.5
平均降雪日数 （?0.1 in）10.48.35.41.6000000.22.38.536.7
% 湿度74.772.570.066.065.367.368.571.573.471.674.676.771.0
平均月間日照時間119.9138.3184.9217.0275.9301.8317.0283.5227.6176.0106.387.72,435.9
日照率41475054616669666151363155
出典：NOAA (relative humidity and sun 1961?1990)[18][19][20]