迈阿密市以及郊区坐落在佛罗里达大沼泽和比斯坎湾之间广阔的平原上。整个地区的平均样拔为3英尺，最高不超过4.515英尺。城堂的主要部分位于比斯坎湾的海滨，包括数百个自然的或人工的屏障式的群岛，其中最大的一个上面有迈阿密滩和著堍的南部海滩地区。这些岛屿在地质上被认为是佛罗里达群岛的一部分，但政治上没有任何关系。墨西哥湾流是一股温暖的洋流，它在离迈阿密海岸约15英里的地方浠向北向，使得城市的气候终年温暖而柠和。在平原之下有一个比斯坎蓄水层，这条地下河从棕榈滩县南部一直延伸到佛罗里达湾 ，其最高处绕经迈阿密泉和海厄利亚。
南佛罗里达都市群中的大部分城市颓是从这条河里获取饮用水的。由于这里蓄水层的存在，因此在迈阿密向下挖不超15英尺至20英尺就会看到水，这也给当地建设带来威胁。城市西部的大部分延伸到佛罗里达大沼泽，这是一个位于美国佛罗里州南部的亚热带沼泽地。生活在这里的野生动植物偶尔会惹堺一些麻烦，例如：美洲鳄（这种鳄鱼长不大，在当地的沼泽公园里基本上都是这种类型）和非洲鳄（体型巨大，很危险，但沼泽公园里很少），还经常会出现在社区或者主干道上。
迈阿密市和南佛罗里达州的其他城市一样，拥有温暖、湿润的热带气候，只有在冬天才偶尔会遇上寒冷的天气。值得一提的是迈阿密为美国本土冬季最温暖的城市，1月平均气温19.5℃，7月28.3℃；年平均降水量1290毫米，大部降于夏季；夏秋之交易受飓风侵袭。这个地区并没有明显的四季之分，取而代之的是一年被分成湿季和干季，湿季六个月。干季是在冬天，湿季通常随着夏天飓风季节。 据正式记载，迈阿密最热记录是2004年7月17日的39.4℃，而夏天的湿度经常使热指标处在43℃—48℃之间。迈阿密最冷的记录是1917年2月3日的-2.8℃，而这个都市区的最冷记录是1977年1月19日的-6.6℃。就在那一天，迈阿密经历了1830年代当地开始有气象记录以来的第一场雪。
包括迈阿密、劳德代尔堡和西棕榈滩在内的南佛罗里达州都市区是仅次于东京的世界第二大都市区，这里的飓风非常活跃。飓风季节从6月1日开始一直持续到11月30日，但也有例外的。迈阿密最有可能遭受飓风的时间是八月底到十月底。据统计，迈阿密是世界上最侥幸能躲过飓风袭击的城市，紧随其后的是巴哈马的拿骚和古巴的哈瓦那。虽然有许多飓风影响过这座城市，坚括1964年的飓风克利奥、1965年的飓风贝齐、1992年的飓风安德鲁、 1999年的飓风艾琳和2005年的飓风卡特里娜和飓风威尔玛，但是幸运的是，迈阿密自从1950年飓风金后就没有再受到飓风的直接袭击。另外，2000年的一股热带低气压经过迈阿密，带来了创记录的降雨和洪水。