Bremen liegt zu beiden Seiten der Weser, etwa 60 Kilometer vor deren Mündung in die Nordsee bzw. deren Übergang in die Außenweser bei Bremerhaven. In Höhe der Bremer Altstadt geht die Mittelweser in die Unterweser über, die ab der Eisenbahnbrücke Bremen zur Seeschifffahrtsstraße ausgebaut ist. Die von der Ochtum durchzogene Landschaft links der Unterweser wird als Wesermarsch bezeichnet, die Landschaft rechts der Unterweser gehört zum Elbe-Weser-Dreieck. Die Lesum, mit ihren Quellflüssen Wümme und Hamme, die Schönebecker und die Blumenthaler Aue bilden von hier aus die Zuflüsse der Weser.
Das Stadtgebiet ist etwa 38 Kilometer lang und 16 Kilometer breit. Bremen ist bezogen auf die Fläche die sechzehntgrößte Stadt Deutschlands und bezogen auf die Einwohnerzahl, nach Hamburg, die zweitgrößte Stadt im Norden Deutschlands und die elftgrößte in ganz Deutschland.