Diadema integra a Região Metropolitana de São Paulo e está inserida na região do Grande ABC, composta por mais seis cidades. Está distante apenas 17 km do marco zero de São Paulo, localizado na Praça da Sé, e seu território possui 30,7 km², representando 0,01% da área do Estado de São Paulo. Além da proximidade com a capital do estado, Diadema é servida pelo sistema Anchieta-Imigrantes, o que facilita o escoamento do que é produzido na cidade para o porto de Santos.

A maior parte da rede hidrográfica do município está orientada para noroeste do Estado de São Paulo, em direção à calha do Tiête. O Ribeirão dos Couros, com 7.500 metros de extensão, é o principal componente hidrográfico do município. Além dele, a cidade é irrigada ainda por mais nove córregos.

A maior parte de Diadema situa-se em uma altitude que varia de 700 a 800 metros. O relevo é predominantemente acidentado, composto de pequenas colinas, marrotes alongados e poucas áreas planas. O índice pluviométrico médio é de aproximadamente 1.400 a 1.500 mm por ano.