Das Emirat Dubai grenzt an Abu Dhabi im Süden, Sharjah im Nordosten und dem Oman im Südosten. Hatta, eine kleine Exklave des Emirats, ist vom Oman, im Westen vom Emirat Ajman und im Norden vom Emirat Ras Al Khaimah umgeben. Im Westen von Dubai befindet sich der Persische Golf. Dubai umfasst eine Fläche von 4114 km².
Die Topographie Dubais unterscheidet sich vom südlichen Teil der Vereinigten Arabischen Emirate. In Dubai gibt es grosse Sandwüstengebiete, während ein großer Teil der südlichen Region des Landes von Kieswüsten dominiert wird. Der saubere, weisse Sand besteht meist aus zerdrückten Muschelschalen und Korallen. Im Osten der Stadt gehen die die salzverkrusteten Küstenebenen (bekannt als sabkha) in Dünen über. Weiter in östlicher Richtung nimmt die Dünenhöhe zu, hier sind die Dünen durch Eisenoxid rot gefärbt.
Die flache sandige Wüste wird durch das westliche Hajar-Gebirge, das parallel zur Dubais Grenze mit dem Oman verläuft, begrenzt. Die westliche Hajar-Kette ist durch eine trockene, zerklüftete Landschaft gekennzeichnet, die Berge erreichen hier an einigen Stelle etwa 1.300 Meter Höhe.
Dubai hat keine natürlichen Flüsse oder Oasen, weist jedoch eine natürliche Bucht auf: Dubai Creek. Diese Bucht wurde ausgebaggert, um genügend Tiefe für große Schiffe zu erreichen. In den westlichen Hajarbergen gibt es mehrere tiefe Schluchten und Wasserlöcher.
Ein Meer von riesigen Sanddünen bedeckt große Teile von Süddubai, bis schliesslich das „Empty Quarter“ erreicht wird. Geologisch befindet sich Dubai in einer sehr stabilen Zone. Die nächste seismischen Verwerfung ist 120 km von den Vereinigten Arabischen Emiraten entfernt, es ist unwahrscheinlich, dass sie in irgendeiner Form Auswirkungen auf Dubai hat. Experten gehen davon aus, dass auch eine Tsunami-Katastrophe in der Region sehr unwahrscheinlich ist, da die Gewässer am Persischen Golf für einen Tsunami nicht tief genug sind.

In der Sandwüste rund um die Stadt wachsen wilde Gräser und wenige Dattelpalmen. Wüsten-Hyazinthen gedeihen in den Sabkha -Ebenen im Osten der Stadt, während Akazien und Ghaf-Bäume in den flachen Ebenen nahe der westlichen Al Hajar-Berge wachsen. Mehrere Arten einheimischer Bäume wie Dattelpalme und Neem sowie eingeführte Arten wie Eukalyptus wachsen in Dubais Naturparks.
Die Houbara-Trappe, Gestreifte Hyäne, Caracal, Wüstenfuchs, Falken und Arabischer Oryx sind in Dubais Wüste heimisch. Dubai befindet sich auf der Vogelzugroute zwischen Europa, Asien und Afrika im Frühjahr und Herbst wird Dubai von mehr als 320 Arten von Zugvögeln überflogen. The waters of Dubai are home to more than 300 species of fish, including the hammour . In den Gewässern um Dubai gibt es mehr als 300 Fischarten.

Der Dubai Creek läuft nordöstlich-südwestlich durch die Stadt. Im östlichen Teil der Stadt befindet sich die Siedlung Deira. Begrenzt wird Dubai City im Osten vom Emirat Sharjah und der Stadt Al Aweer im Süden. Der Dubai International Airport befindet sich südlich von Deira, während Palm Deira nördlich von Deira im Persischen Golf liegt. Ein großer Teil des Dubai-Immobilien-Booms konzentriert sich westlich des Dubai Creek, auf den Küstenstreifen von Jumeirah. Port Rashid, Jebel Ali, Burj Al Arab, Palm Jumeirah und Business Bay befinden sich alle in diesem Abschnitt. Fünf Hauptstrassen - E 11 (Sheikh Zayed Road), E 311 (Emirates Road), E 44 (Dubai-Hatta Highway), E 77 (Dubai-Al Habab Road) und E 66 (Oud Metha Road) - führen durch Dubai und stellen die Verbindung zwischen Dubai City  mit anderen Städten und Emirate her. Die östlichen und westlichen Teile der Stadt sind durch die Maktoum-Brücke, die Garhoud-Brücke, dem Shindagha Tunnel, dem Business Bay Übergang und der Floating Bridge miteinander verbunden.