Mailand liegt in der Poebene. Das Stadtgebiet ist von den Flüssen Olona im Westen und Lambro im Osten umgeben. Die – heute unterirdisch – auch in großen Teilen der Innenstadt verlaufenden Schifffahrtskanäle (die unter Mitwirkung von Leonardo da Vinci entworfenen Navigli) verbinden die Stadt mit den oberitalienischen Seen und den lombardischen Flüssen und waren bis in die Mitte des 20. Jahrhunderts von maßgeblicher Bedeutung für die Mailänder Wirtschaft.

Mailand gehört zur subozeanischen Klimaprovinz Mitteleuropas. Das Klima ist subkontinental, die Sommer warm, die Winter mäßig kalt und nebelreich. Mailand verzeichnet über 60 Frost- und knapp 100 Sommertage. Regen fällt zu allen Jahreszeiten, vor allem im Frühjahr und Herbst.