Дарвін знаходиться на березі моря. Місто побудоване на низькому прямовисному березі, навпроти Дарвінської бухти, обрамлене затоками Френсіс (на сході) та Куллен (на заході). Більшість міста — низинна і пласка. Уздовж узбережжя розкинулися пляжі. Дарвін розташований за 3137 км від Канберри, 656 км від Ділі, 1818 км від Порт-Морсбі і 2700 км від Джакарти. За 171 км на південний схід від міста знаходиться національний парк Какаду.
Клімат Дарвіна характеризується як тропічний, з чітко виділеними сухим та вологим сезонами. Сухий сезон триває з квітня (травня) до жовтня, у цей час відзначається тепла сонячна погода, середня денна вологість становить лише близько 30%. Дощі цього сезону вкрай рідкісні. Найхолодніші місяці – червень і липень, температури можуть опускатися до 14 ° С, і дуже рідко – трохи нижче. Морози ніколи не відзначалися. Сезон дощів характеризується мусонами та тропічними циклонами. Більшість опадів випадає період із грудня до березня. Під час сезону дощів опади випадають не щодня, відзначається тепла чи спекотна погода. Найспекотніший місяць року — листопад. Середня річна норма опадів становить 1728 мм.
Найбільша кількість опадів, що колись випала протягом однієї доби, була зафіксована місцевим метеорологічним бюро 16 лютого 2011 року і склала 367,6 мм. Лютий 2011 був також і найвологішим місяцем, загальна місячна кількість опадів склала тоді 1110,2 мм.