Южнее города находятся отроги гор Ардайского массива. На севере Дортмунд граничит с областью Мюнстерланд. На востоке находится Зостская равнина, на западе — Рурский бассейн. Дортмунд лежит в верхнем течении Эмшера и среднем течении Рура, в который южнее города впадает Ленне. На севере протекает Липпе. Канал Дортмунд — Эмс соединяет Дортмунд с сетью каналов речного транспорта.