Nairobi si trova nella parte sud occidentale del Kenya, adiacente al versante orientale della Grande Rift Valley, a un'altitudine di 1661 m s.l.m. A ovest della città il paesaggio è caratterizzato da colline (Ngong) mentre a nord svetta il Monte Kenya e a sudest il Kilimangiaro.
Il fiume Nairobi e i suoi affluenti si snodano attraverso la città e nella parte settentrionale della città è ancora possibile vedere un'area di foresta originaria, la foresta di Karura;
L’altitudine di Nairobi favorisce un clima complessivamente mite. Poiché Nairobi si trova nei pressi dell'equatore, le temperatura fra inverno ed estate oscillano tra i 18 °C di minima e i 30 °C di massima.