白云区地势北部与东北部高，西部和南部低。大致以广从断裂带和瘦狗岭断裂带为界，广从断裂带以东，瘦狗岭断裂带以北，是白云山——萝岗低山丘陵地区，中有山间冲积平原点缀，如南岗河冲积而成的萝岗洞，金坑河冲积而成的穗丰、兴丰两个小盆地，良田坑冲积而成的白米洞，凤尾坑冲积而成的九佛洞等。广从断裂以西，主要是流溪河冲积平原和珠江三角洲平原。

北部及东北部以低山为主，谷深，坡陡，基岩是坚硬的、块状的变质岩和花岗岩。在低山的边缘地带，如新广从公路东侧、旧广从公路大源以南两侧，展布着一系列丘陵，其基岩是抗风化力较弱的中粗粒花岗岩，故山顶浑圆，山坡平缓。

在丘陵区的南部边缘，沿瘦狗岭断裂走向是一片带状的台地，区境内西起王圣堂，依次是走马岗、桂花岗，接天河区境的横枝岗、瘦狗岭、下元岗，一直延伸到区境萝岗的火村、刘村。白云山西麓，是丘陵与山前平原相接地带，并展布着一系列北东向的山前洼地和台地，与冲积平原相间，组成了流溪河波状平原。

坐落境内的帽峰山海拔534.9米，为广州市内最高山峰。全区海拔200米以上的高山有大盆围（303米）、尺岩崖（251米）、人头岭（232米）、大岭头（179米）、荔枝山（240米）、杨大岭（349米）、寻冈（318.3米）、牛头山（363.8米）、刘村大山（273.6米）、摩星岭（372米）。

地处北回归线以南的白云区，属南亚热带季风气候区，季风环流盛行。冬季处于大陆高压东南边缘，多吹来自大陆的偏北风，因有南岭等山脉作屏障，阻隔北方南下寒潮，又可使冷空气锋面停滞，形成阴雨，故冬季不致严寒干燥。夏季主要受太平洋高压影响，多吹来自海洋的偏南风，因南岭山脉及区内东北高、西南低的地形特点，可截留大量水蒸气上升成雨，故夏季不至于酷热。热量丰富，雨量充沛，霜雪稀少，四季分明，春夏之间多暴雨，夏秋之间多台风。年平均气温21.8℃；7月，平均气温28.4℃，极端最高气温38.1℃；1月，平均气温13.3℃，极端最低为0℃；无霜期达345天；年降雨量1694毫米，4月至9月雨量占82.1%。

白云区境内的河流属珠江水系。因受地势影响，河流多从东北流向西南，从东流向西或从北流向南，分别流入珠江、白坭河、流溪河，也有少数经天河区流入东江。主要河流有流溪河、白坭河、珠江（西航道）以及南岗河等。

流溪河发源于从化桂峰山，因由众多溪流涧水汇集成而得名。干流长157公里，集水面积2300平方公里。从白云区东北部钟落潭镇湖村入境，流经黎家塘、长沙、钟落潭、龙岗、竹料镇寮采、米岗、龙塘、虎塘、人和镇高增、鸦湖、秀水、蚌湖镇南方、清河、新市镇石马、石井镇唐阁、龙湖、滘心、南岗等村，至鸦岗村附近三江口与白坭河汇合流入珠江西航道。白云区境内干流长50公里，集水面积529平方公里。

建国以来，流溪河干、支流均已进行开发利用，上游从化、花都境内，建有中、小型水库多个，拦河坝多座，用以调节流量。白云区建成人和拦河坝，引水流量2立方米每秒，设计灌溉面积2万亩。并在各支流上建成新陂、白汾、南塘、沙田、铜锣湾、和龙、梅窿、大源、红路、磨刀坑等水库，库容共4303万立方米，控制集雨面积59.8平方公里。

白坭河又称巴江河，发源于花都市天堂顶，于洲咀口汇合新街河流入白云区。经神山、江高两镇至石井镇鸦岗附近三江口汇合流溪河，流入珠江西航道。干流全长53公里（区境河段长约10公里），集水面积788平方公里。主要支流有芦苞涌、西南涌（在三水市境内）、国泰河（在花都市境内），上游与北江相通。白坭河是北江洪水下泄的主要通道，每年汛期，对神山、江高、石井、新市等镇有很大威胁。另一支流新街河发源于花都福源（梯顶大坑），下游从雅瑶村北流入白云区，经雅瑶、大岭、罗溪、南浦至洲咀口流入白坭河。干流长43.4公里，集水面积425公里。白云区境内河段长10公里，集水面积18平方公里。

广州市境内珠江干流长52公里（以前航道计），白云区境内河段长16公里，境内集水面积129.704平方公里。珠江在区内的主要支流有石井河、新市涌。

南岗河发源于萝岗木岭，经长平、水西、罗岗、火村等村流入黄埔区至南岗口流入东江。全长27公里，集水面积145平方公里。在白云区境内河段称木强河，长16公里，集水面积97平方公里。上游建有水库，库容816万立方米，控制集水面积7.6平方公里。

白云区交通发达，为陆军交通运输枢纽，是广州市东部、东北部、北部、西部的进出咽喉。京广、广三、两条铁路，广佛、广深、广州环城三条高速公路，广汕、广从、广花三条公路，105、106、107、205、324几条国道穿境而过。京广铁路江高编组站为华南最大的客货火车编组调配站。