Координати міста є 40° 26' пн. ш. 3° 41' зх. д. / 40433, −3683, а його середня висота над рівнем моря становить 667 м, що робить його найвищою столицею Європи (якщо не враховувати столицю Андорри). Географічні та кліматичні умови Мадрида відповідають характерним для Південної височини в Центрально-Іберійському плато. Місто розташоване в кількох милях від гірського хребта Сьєрра-де-Ґуадаррама (Sierra de Guadarrama) і розташоване в басейні річки Тежу.