La baia di San Francisco, lunga 90 miglia, è separata dalle fredde acque dell'Oceano Pacifico da una sottile lingua di terra e dispone di un singolo ingresso largo poco più di un miglio e profondo 500 metri. Per questo motivo la baia stessa rappresenta uno splendido porto naturale. Sulla punta più settentrionale della penisola è nata la città più importante, San Francisco, la quale controlla direttamente l'accesso allo specchio d'acqua interno. Durante il periodo della corsa dell'oro, molti del cosiddetti fortyniners arrivarono via nave ed ecco perché detta apertura fu battezzata la porta dell'oro ossia The Golden Gate.
Il Golden Gate separa la penisola di San Francisco (a sud) da quella di Marin (a nord) che ospita paesi come Sausalito, Mill Valley, Tiburon e San Rafael. A nord il San Rafael Bridge, che collega San Rafael a Richmond, delimita la San Pablo bay. Sull'altro lato della baia, ad est, si trovano i centri di Berkeley, sede della famosa University of California, Oakland, Alameda, San Leandro, Hayward e Freemont. A sud, nella cosiddetta Silicon Valley, il principale centro è San Jose, circondato dalle città di Sunnivale, Santa Clara, Cupertino, Mountain View e Palo Alto. Risalendo la penisola verso San Francisco si trovano altri paesi importanti, come Half Moon Bay, San Carlos e San Mateo.

La baia è solcata da 4 ponti principali (da sud a nord, il Dunbarton Bridge, il San Mateo Bridge, l'Oakland Bay Bridge e il San Rafael Bridge) oltre al Golden Gate Bridge che svetta sull'ingresso verso l'Oceano Pacifico. Sono presenti diverse isole: Angel Island è la più grande, parco naturale visitabile a piedi o in bicicletta (si raggiunge via traghetto). Incluse nella contea di San Francisco e quindi facenti parte la città ci sono le isole di Alcatraz, Treasure Island, Yerba Buena Island e le isole Farallons a 43 km dalla costa (disabitate). Se si escludono le isole, l'intera contea di San Francisco, che corrisponde (unico caso in California) alla municipalità di San Francisco è pressappoco un quadrato di 11 km di lato.
La penisola su cui si trova San Francisco è collinosa e addirittura montagnosa in alcuni tratti; la tormentata conformazione orografica è per lo più dovuta al passaggio della faglia di San Andreas a solo una ventina di chilometri a sud della città tagliando diagonalmente la penisola e infossandosi nell'oceano. Nel territorio della città si contano 43 colline; sono quasi tutte abitate e i quartieri che ne nascono prendono spesso il loro nome. Di seguito la lista delle colline e la loro altezza sul livello del mare:

Vicino al centro geografico della città a sudovest dell'area nota come Downtown, si trovano le alture più elevate e scarsamente abitate: l'area è dominata da Mount Sutro, sede della omonima Sutro Tower, un'enorme antenna ripetitrice per le trasmissioni radiofoniche e televisive dal profilo caratteristico che domina dall'alto la città. Per ordine di importanza seguono le due alture gemelle dominate appunto Twin Peaks, che per la loro posizione sono uno dei punti di osservazione panoramici preferiti dai turisti. La collina più alta è il Mont Davison, con i suoi 286 metri; ospita una croce alta 31 metri sulla sommità.
La costa della città è cresciuta oltre il suo limite naturale: i quartieri di Marina e Hutters Point, come pure porzioni non trascurabili dell'Embarcadero sono costruite su terreno di riporto. L'isola denominata Treasure Island al centro della baia è pure artificiale e ricavata dal materiale dragato dalla baia durante la costruzione del Bay Bridge. Anche il materiale scavato da Yerba Buena Island per costruire la galleria del medesimo punto ha contribuito alla formazione di questa isola artificiale. Tutti i terreni artificiali sono però molto instabili e quindi soggetti più degli altri al fenomeno delle «liquefazione», che porta a danni notevoli agli edifici costruitici sopra durante i terremoti. Questo è il destino che ha subito il quartiere di Marina durante il terremoto di Loma Prieta, nel 1989.

Contrariamente a quanto uno possa pensare, San Francisco è una città dal clima decisamente insolito: una famosa citazione erroneamente attribuita a Mark Twain dice «The coldest winter I ever spent was a summer in San Francisco», ossia «l'inverno più freddo che ho vissuto è stato un'estate trascorsa a San Francisco». Sebbene San Francisco benefici del clima mediterraneo della California, caratterizzato da inverni umidi ma tiepidi ed estati secche e non eccessivamente calde, la città di San Francisco è bagnata su tre lati dalle fredde acque dell'Oceano Pacifico. La corrente fredda dell'Alaska lambisce tutta la costa settentrionale della California, mitigando le temperature estive (che sennò, vista la latitudine geografica, sarebbero molto elevate) e mitigando quelle invernali. La corrente è però larga solo poche miglia e quindi la sua influenza è limitata: nei paesi a pochi chilometri dalla Bay Area, verso l'entroterra, si registrano temperature molto più elevate in estate e grandi escursioni termiche tra giorno e notte. Le acque fredde hanno così impedito la formazione di turismo balneare (molto florido invece nella Southern California); ecco che le spiagge di San Francisco sono quasi sempre deserte e gli avventori che provano a fare il bagno sono pochissimi.
La piovosità è accentuata soprattutto nei mesi invernali, mentre in quelli estivi (agosto in testa) è abbastanza raro trovare la pioggia. La neve è un evento quasi storico!
Le temperature medie invernali si aggirano sui 10 gradi, ma il forte vento che accompagna tutto l'anno questa località fa percepire temperature inferiori. Tuttavia, la colonnina di mercurio raramente scende sotto lo zero anche di notte. Viceversa, d'estate le temperature medie si aggirano sui 20 gradi: sebbene il sole sia piuttosto caldo (e nelle giornate limpide veramente bruciante!), la presenza dell'oceano mantiene la temperatura molto più bassa rispetto a quella della Central Valley che si scalda a dismisura. La differenza termica richiama dall'oceano aria molto umida che condensa nello strato inferiore a contatto con la corrente fredda; il risultato sono coltri di nuvole bassissime, simili a nebbia, che investono la città entrando dal Golden Gate e che si addentrano nell'entroterra solo per poche miglia (dall'altro versante della baia infatti non c'è lo stesso problema) ma abbassano moltissimo la temperatura. La nebbia di San Francisco si presenta nei mesi estivi tra le 18 e le 22, si mantiene sulla città per tutta la notte e si dissolve soltanto la mattina successiva tra le 10 e le 12. rari sono i casi in cui la nebbia permane tutto il giorno o i giorni in cui non si presenta affatto.
Alcune note statistiche: la media delle temperature massime estive è di 21 gradi, 9 gradi inferiore all'entroterra. Le temperature minime non scendono quasi mai sotto lo zero. Il record delle massime di tutti i tempi è di 39 gradi (misurato il 14 giugno del 2000) e quello delle minime è di -3 gradi (misurato l'11 dicembre del 1932). L'ultima nevicata di rilievo (10 cm) risale al febbraio del 1976. Si registra una media di 160 giorni di cielo sereno e 105 di cielo nuvoloso all'anno.

San Francisco si trova presso l'estremità settentrionale della faglia di San Andreas, che è il risultato dell'attrito che si verifica dove si incontrano due importanti placche della crosta terrestre, quella del Pacifico Orientale e quella dell'America Settentrionale. È lunga 965Km e si estende per quasi tutta la California.

Risultato dei movimenti tettonici sono le colline e le alture della Bay Area, nonché tutte le colline della città: le due placche infatti, malgrado quella pacifica tenda a sprofondare, per la compressione hanno anche sollevato il terreno.

Un'equipe di scienziati costantemente sorveglia il movimento della faglia con strumenti che fanno rimbalzare raggi laser su una parete di riflettori posta a 6 Km dal cannone laser. Il sistema può individuare spostamenti di soli 0.6 mm e permette ai sismologi di prevedere la possibilità di terremoti.

La faglia di San Andreas ha in questa zona due diramazioni principali, la faglia di Hayward e quella di Calaveras.

Il 18 aprile del 1906 alle 5 e 25 minuti del mattino un terremoto di incredibile potenza scuote San Francisco. La causa è da attribuirsi ad uno spostamento di 6 metri della faglia di San Andreas (le misurazioni geodetiche riportano addirittura 8.5 metri!). Il sisma è stato stimato tra il grado 7.7 e l'8.3 della scala Richter (il valore più accreditato è 7.8) e l'epicentro è stato localizzato a 3 km dalla costa sulla faglia stessa. Una prima scossa dura 48 secondi, seguita da una seconda (20 secondi più tardi) di circa 17 secondi. Sulla scala Mercalli, che quantifica i danni agli edifici, è stato assegnato un valore pari all'ottavo grado per la città di San Francisco e addirittura del nono grado nelle zone più a nord, verso la città di Santa Rosa.

I palazzi su Nob Hill furono rasi al suolo dal sisma, come pure buona parte di Chinatown, del Financial District e di South of Market; danni seri si registrano nei quartieri ovest della città, oltre la Van Ness Street, che segna il confine tra la «città moderna» e le zone residenziali meno benestanti. Le rotaie dei Cable Car furono divelte. Le tubature del gas presenti sulla città nuova si squarciarono; in poco più di 10 minuti imponenti fiamme si alzarono nella zona di downtown. Il fuoco durò per tre giorni, mentre lance antincendio dalla baia lanciavano getti d'acqua nel disperato tentativo di spegnerle. Il risultato fu che almeno di Ferry Building (l'edificio principale del porto) si salvò. Il quartiere di Chinatown bruciò per intero, ma di fatto tutto il centro e la zona industriale del South of Market sparirono. Intervenne pure l'esercito e solo nella mattinata del 21 aprile l'incendio era domato. Si erano salvati dalle fiamme gli edifici ad ovest di Van Ness, in quanto questa strada, larga il doppio rispetto alle altre, ha consentito la creazione di apposite barricate che hanno arrestato il propagarsi delle fiamme.

La città seriamente danneggiata, è stata ricostruita in meno di 15 anni, anche in considerazione del fatto che la maggior parte degli edifici era assicurata; questa volta però sono stati adottati, per quanto fosse possibile, criteri antisismici. La città non è più la stessa da allora e gli abitanti vivono in costante apprensione. Sono presenti strutture in centro, come lo Yerba Buena Center, in grado di ospitare i rifugiati di un possible ulteriore terremoto devastante.

Su una popolazione di 410 mila abitanti, si contarono tra i 225 e i 300 mila senzatetto. Gli sfollati si radunarono in tendopoli e baraccopoli di emergenza istituite lungo la baia e presso i due principali parchi della città, il Presidio e il Golden Gate Park. Si stimano 3000 vittime.

ll 17 Ottobre del 1989, la storia si ripete. Alle 17.04, nella non lontana località denominata Loma Prieta, un terremoto del 7.1 grado della scala Richter scuote nuovamente la Bay Area. L'evento coincide con un «derby» di baseball tra la squadra di San Francisco e quella di Oakland al Candlestick Park (65 mila persone assistono alla partita). Grazie a questa coincidenza i danni alle persone furono limitati, essendo lo stadio progettato per resistere a terremoti di magnetudo dieci volte superiore.

I danni principali si registrano sui quartieri costruiti su terreno di riporto, come Marina e Treasure Island. A Marina le case si accartocciano una sull'altra in una sorta di effetto domino e scoppiò un poderoso incendio, per fortuna subito domato. Gli altri quartieri, un po' perché costruiti su terreno stabile, un po' per i criteri antisismici massicciamente adottati, si salvano quasi tutti.

I maggiori danni si ebbero sulle autostrade sopraelevate a due piani: i piloni non erano progettati per resistere a una violenza simile, e il piano superiore crollò e schiacciando quello inferiore. Persero la vita in questo modo 40 persone delle 57 vittime totali. Le più colpite furono le autostrade a Hayes Valley (Central Freeway) e nella zona dell'Embarcadero (Embarcaderoi Freeway). Qui i due anelli autostradali che servivano il Financial District non furono poi ricostruiti. Un tratto del Bay Bridge crollò allo stesso modo e 2 persone persero la vita inghiottite dalla voragine creatasi. Il ponte rimase chiuso poi per un mese.