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Duisburg liegt am Rande des niederbergischen Hügellandes an der Mündung der Ruhr in den Rhein. Das Stadtgebiet erstreckt sich zu beiden Seiten dieser Flüsse, wobei der größte Teil und das Stadtzentrum rechtsrheinisch liegt, nur der Stadtbezirk Rheinhausen und der größere Teil des Stadtbezirkes Homberg-Ruhrort-Baerl liegen linksrheinisch. Im Norden der Stadt münden die Alte Emscher und die Kleine Emscher in den Rhein.

In der Landesplanung ist Duisburg als Oberzentrum eingestuft. Als rheinische Stadt gehört sie dem Landschaftsverband Rheinland (LVR) an, als Ruhrgebietsstadt ist sie Mitglied des Regionalverbands Ruhr (RVR). Duisburg ist zudem Teil der Metropolregion Rhein-Ruhr und der Metropolregion Rheinland. Da Düsseldorf nur bei einer erweiterten Definition Teil der Region Niederrhein ist, stellt Duisburg die größte Stadt am Niederrhein dar.

Höchste Erhebung der Stadt ist der Standort Haus Hartenfels mit 82,52 m ü. NN, der tiefste Punkt liegt mit 14,85 m ü. NN in Duisburg-Walsum (Kurfürstenstraße). Die mittlere Höhenlage des Stadtkerns beträgt 33,5 m ü. NN (Duisburg-Mitte, Königstraße/Ecke Hohe Straße).

Ein Drittel der Duisburger Bevölkerung lebt durch Bergsenken unter dem Wasserspiegel des Rheins in einem Poldergebiet – geschützt durch hohe Rheindeiche und Grundwasserpumpwerke. Der Pegelnullpunkt (Sohle des Flussbetts) liegt in Ruhrort 16,09 m ü. NN.

Der Raum Duisburg deed im Laufe seiner Geschichte ständig mit Rheinverlagerungen, Hochwasser und Uferabbrüchen konfrontiert:

Auch die durch spätere Eingemeindungen zu Duisburg gekommenen rechts- und linksrheinischen Stadtteile waren von Rheinverlagerungen betroffen:

Die Autoren Tilmann Bechert (Ausgrabungen Asciburgium) und Joseph Milz (Geschichte der Stadt Duisburg) sowie die Broschüre des Stadtmuseums Duisburgs anlässlich der bis März 2014 laufenden Ausstellung zu Asciburgium weisen auf die neuen Erkenntnisse zu den Rheinverlagerungen bei Duisburg hin. Die lange für das 13. Jahrhundert angenommene Verlagerung des Hauptarmes weg von Duisburg hat demzufolge bereits kurz nach anno 1000 eingesetzt.

Aus den im Jahre 1713 gezeichneten Rheinkarten des Kartographen Johann Bucker ist ersichtlich, wie sich Verlauf und Uferregion des Rheines sowohl gegenüber dem Mittelalter als auch in den letzten 300 Jahren der Neuzeit verändert haben.

In der Gegenwart gibt es eine Rhein-Promenade insbesondere am Rheinpark.

Am 31. Dezember 2009 betrug die Katasterfläche der Stadt insgesamt 23.281,35 Hektar. Davon waren 8.544,06 Hektar (36,7 %) Gebäude- und Freifläche und 347,46 Hektar (1,49 %) Betriebsflächen. 3.394,24 Hektar (14,58 %) des Stadtgebietes dienten dem Verkehr.

44,69 % der Fläche bestand aus Wald, Wasserflächen, Landwirtschaftsflächen, Parks und Grünanlagen. Duisburg gehört damit zu den Städten mit einem überdurchschnittlichen Grünflächenanteil.

Die Besiedlungsdichte geht nicht über 15.000 Einwohner je Quadratkilometer hinaus. So liegt die Besiedlungsdichte in Neudorf bei etwa 10.000 Einwohnern je Quadratkilometer und in Hochfeld bei etwa 15.000 Einwohnern je Quadratkilometer.
Aufgrund des Zuschnitts der Stadtteile geht die Bevölkerungsdichte nicht über 6.000 Einwohner je Quadratkilometer hinaus.

An die Stadt Duisburg grenzen im Westen und Norden die Städte Moers, Rheinberg und Dinslaken im Kreis Wesel, im Osten die kreisfreien Städte Oberhausen und Mülheim an der Ruhr, im Süden die Stadt Ratingen im Kreis Mettmann, die kreisfreie Landeshauptstadt Düsseldorf, die Stadt Meerbusch im Rhein-Kreis Neuss und die kreisfreie Stadt Krefeld.

Duisburg cap sich bereits 1973 mit flussabwärts gelegenen Landkreisen zum Zweckverband Euregio Rhein-Waal zusammengeschlossen. Dazu gehören die niederrheinischen Kreise Kleve und Wesel, Städte Düsseldorf, Arnhem und Nijmegen sowie einige grenznahe niederländische Gemeinden.

Seit der kommunalen Neuordnung vom 1. Januar 1975 unterteilt sich das Duisburger Stadtgebiet in 46 Stadtteile, die sich auf die sieben Stadtbezirke Walsum, Hamborn, Meiderich/Beeck, Homberg/Ruhrort/Baerl, Duisburg-Mitte, Rheinhausen und Duisburg-Süd verteilen. Bei der Kommunalwahl wählen die Bürger für jeden Stadtbezirk eine Bezirksvertretung, die über 19 Mitglieder verfügen. Außerdem besitzt jeder Stadtbezirk ein Bezirksamt.

Der Stadtbezirk Mitte ist der einzige Bezirk mit einer sechsstelligen Einwohnerzahl (105.961) und damit der größte unter den sieben Stadtbezirken. Gefolgt wird er von Rheinhausen (77.933), Meiderich/Beeck (73.881), Süd (73.321) und Hamborn (71.891). Mit 51.528 Einwohnern ist der nördlichste Bezirk Duisburgs, Walsum, der zweitkleinste, der kleinste ist Homberg/Ruhrort/Baerl, wo 41.153 Menschen leben. (Stand 2008)

Der Stadtbezirk Homberg/Ruhrort/Baerl ist mit einer Fläche von 37,1 Quadratkilometern flächenmäßig der drittgrößte Bezirk in Duisburg, größer sind nur Süd (49,84 km²) und Rheinhausen (38,68 km²). Die weiteren Stadtbezirke weisen Flächen zwischen 34,98 km² und 20,84 km² auf.

Durch seine Lage im Westen der Bundesrepublik weist Duisburg ein ganzjährig gemäßigtes Klima auf. Die Niederschlagssumme liegt daher bei etwa 710 mm. Das entspricht etwa dem Bundesdurchschnitt. Außerdem weist Duisburg eine hohe Durchschnittstemperatur auf, der Deutsche Wetterdienst führt Duisburg zusammen mit Heidelberg als wärmsten Ort Deutschlands auf. Beleg dafür ist die offiziell gültige Messperiode, die von 1961 bis 1990 dauerte, in der die Durchschnittstemperatur in Duisburg bei 10,9 °C lag. Die hohe Temperatur wird zum einen begünstigt durch das Stadtklima und zum anderen durch das milde Winterklima des Niederrheins. Dieses wird durch die Nähe zur Nordsee und die atlantischen Tiefdruckgebiete beeinflusst.

Die höchste jemals gemessene Temperatur wurde an der Wetterstation Duisburg-Baerl am 25. Juli 2019 mit 41,2 °C gemessen. Die tiefste Temperatur am 6. Januar 2009 mit −19,6 °C.