Барселона расположена на северо-востоке Иберийского полуострова на побережье Средиземного моря на плато шириной в 5 км, границы которого с юга составляют горная гряда Кольсерола (Collserola) и река Йобрегат, а на севере — река Бесос. Пиренеи находятся в приблизительно 120 км к северу от города.

Прибрежные горы Кольсерола создают слегка скруглённый фон города. Высота самой высшей точки — горы Тибидабо составляет 512 м, над ней возвышается заметная издалека башня-антенна Кольсерола высотой 288,4 м. Самой высокой точкой в черте города является холм Мон-Табер (Mont Taber) высотой 12 м, на нём расположен Барселонский собор.

Барселона лежит на холмах, давших название городским кварталам: Кармель (Carmel), 267 м, Монтерольс (Monterols), 121 м, Пучет (Putxet), 181 м, Ровира (Rovira), 261 м и Пейра (Peira), 133 м. С горы Монжуик высотой 173 м в юго-западной части города открывается великолепный вид на порт Барселоны. На Монжуике расположена крепость XVII—XVIII веков, взявшая на себя оборонные функции разрушенной цитадели Сьютаделья (Ciutadella). В настоящее время в крепости размещается Военный музей. Помимо крепости на Монжуике находятся олимпийские объекты, учреждения культуры и знаменитые сады.

На севере город граничит с муниципалитетами Санта-Колома-де-Граманет и Сант-Андриа-де-Бесос, на юге — с Оспиталет-де-Льобрегат и Эсплугес-де-Льобрегат, на юго-востоке город ограничивает Средиземное море, а на западе находятся населённые пункты Сан-Кугат-дель-Вальес и Серданьола-дель-Вальес.