台北市は台北盆地に位置し、大屯火山群(休火山)が市北部北部に位置し、市南部の円山、大直、内湖に向かって緩やかな傾斜を生み出している。最高海抜は七星山の1,120mであり、続いて大屯山の1092mが続いている。山間部の中心は北投の外延に広がる火山地帯である。市東部の内湖、南港及び南部の木柵では丘陵地帯となっており、標高約300mの南港山系(拇指山系)が広がっている。
IT経済化、さらにバイオなどの知識集約経済化を進める台湾では、台北を中心とした地域の重要性がさらに高まっている。しかし台北市内には余剰空間が不足しているため都市の発展は周辺部に波及し、台北都市圏を形成している。特に台北から板橋、台湾桃園国際空港へ至る回廊は人口が密集し、移動人数に対処するため新交通システムが建設または計画されている。2006年までの台北大都市圏(台北市、新北市、基隆市)の人口は676万人を数え、香港と同規模の都市圏を形成している。2010年、アメリカの外交専門誌フォーリンポリシーにより、世界第39位のグローバル都市に選ばれている。
台北市は北緯25度付近の東アジア大陸と太平洋の間に位置し、モンゴル高気圧と温暖湿潤な太平洋高気圧の影響を受けた亜熱帯気候が特徴である。台湾では四季の変化が顕著な地域であり、一般に3~5月を春、6~8月を夏、9~11月を秋、12~翌年2月を冬としている。