市域の西部は香東川の土砂が堆積して出来た扇状地から成っている。東部は春日川や新川によってできた氾濫平野で、その河口部は三角州からなる海岸平野である。北東部には、瀬戸内海に突き出た卓状の台地で、治承・寿永の乱（源平合戦）である屋島や、四国本島最北端の竹居岬が庵治町にある。市の北西部は丘陵となっている。日本で初めて国立公園に指定された瀬戸内海国立公園の中心に位置しており、その瀬戸内海には島嶼が点在する。

市内の難読地名としては中間町（なかつま）、亀水町（たるみ）、小村町（おもれ）、浦生（うろ）、弓弦羽（ゆずりは）などがある。

山: 石清尾山塊、屋島、前田山、五色台、五剣山、竜王山、大滝山（讃岐山脈）

川: 香東川

島: 屋島、女木島（鬼ヶ島）、男木島、小槌島、大槌島（北半分は玉野市）

ダム: 内場ダム、椛川ダム

市街地

高松市は港町として発達してきた特性上、北側に市街地が直接海に面し、また南西方向は峰山と呼ばれる石清尾山塊にも接しているため、実質都市の展開は100度程度に限られる。そのため、360度の展開が可能な他の都市に比べマンションなどの林立が顕著で中心部や近隣住宅街の人口密度が高い。
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高松市中心部周辺の空中写真。
2007年8月17日撮影の40枚を合成作成。国土交通省 国土地理院 地図・空中写真閲覧サービスの空中写真を基に作成。

国土地理院地理情報によると高松市の東西南北それぞれの端は以下の位置で、東西の長さは23.60km、南北の長さは35.84kmである。南端を除く3方位の端は全て島嶼部に位置している。また、2010年国勢調査基準による人口の重心は伏石町845番地付近にある。

 北端
北緯34度26分3秒 東経134度3分38秒 / 北緯34.43417度 東経134.06056度 / 34.43417; 134.06056 (高松市最北端)
↑人口重心
北緯34度18分43.98秒 東経134度3分5.49秒 / 北緯34.3122167度 東経134.0515250度 / 34.3122167; 134.0515250 (高松市人口重心)
西端
北緯34度25分7秒 東経133度55分11秒 / 北緯34.41861度 東経133.91972度 / 34.41861; 133.91972 (高松市最西端)←中心点
北緯34度16分21.5秒 東経134度2分53秒 / 北緯34.272639度 東経134.04806度 / 34.272639; 134.04806 (高松市中心点)東端
→北緯34度23分29秒 東経134度10分35秒 / 北緯34.39139度 東経134.17639度 / 34.39139; 134.17639 (高松市最東端)
 ↓
南端
北緯34度6分40秒 東経134度3分41秒 / 北緯34.11111度 東経134.06139度 / 34.11111; 134.06139 (高松市最南端) 

気候

瀬戸内型気候区に属し、降水量は少なく、日照時間は長いため、年間を通じて温暖な気候である。

冬から春にかけて、中国大陸から流入する黄砂がよく観測される。冬は小雨や小雪（みぞれ）の降る日もあり、すっきりとした快晴（雲量1.5未満）になる日は意外と少ないものの、冬の晴天日数そのものは多い。積雪も一冬に1-2回程度は起こるが、関東地方に比べると南岸低気圧による大雪は少ない。また、夏は瀬戸内海沿岸特有の「凪」や讃岐山脈越えのフェーン現象などの影響で、しばしば猛暑日[注釈 1]や熱帯夜[注釈 2]になることがある。

日照時間が長いことが塩の生産・発展に役立ち、「塩田王国香川」と言われた。しかし、少雨の傾向は夏場に多く水不足をもたらし、大雨になると河川が氾濫し、洪水をもたらした。

降水量が少なく、雨が降ったとしても大きな川が無いため、すぐに海へと流れ出てしまうため、数十年単位で大渇水に見舞われる。渇水とまでは至らないが、香川県の水源である高知県の早明浦ダムが底を突き、香川県内で取水制限が実施されることは毎年のように起こり、珍しいことではない。しかしそれでも、1974年（昭和49年）に香川用水が通水し、徳島県の吉野川を経由した高知県の早明浦ダムの水が供給されるようになったため、顕著な旱害は少なくなった。

市街地が直接海に面していることにより、台風が四国付近を通過したときには度々市街地でも高潮の被害が発生する。2004年（平成16年）8月31日未明に襲来した台風16号は、通過した時間帯と大潮の満潮が重なったため、地域によっては最大2m近くの高潮が襲来した。その日一日、都市機能が麻痺した。「高松市の歴史#台風16号 （2004年）」を参照

また、旱魃にも多く見舞われてきたため、歴史的に非常に多くのため池が造られ、市内の至る所で大小様々なため池が見られる。

気温 - 最高38.6℃（2013年〈平成25年〉8月11日、最低-7.7℃（1945年〈昭和20年〉1月28日）