De acuerdo con la oficina del censo de los Estados Unidos, la ciudad ocupa un total de 242.9 millas cuadradas (equivalente a 629 kilómetros cuadrados) De este total 242.3 millas cuadradas son tierras y 0.6 millas cuadradas son de aguas o el equivalente al 0.25%.

Charlotte ocupa la mayoría del territorio del condado de Mecklenburg en lo que se conoce como el Piemonte de Carolina, la sección del Uptown Charlotte debe su nombre a su ubicación sobre un sendero y entre dos riscos y fue construida sobre las minas de St. Catherine y Rodisill.

Charlotte se encuentra ubicado en la nada húmeda subtropical de los Estados Unidos. La ciudad tiene inviernos benignos y veranos calientes y húmedos. En enero la temperatura matutina tiene un promedio de 32 grados Fahrenheit ( 0 centígrados) mientras que las tardes la temperatura suele alcanzar los 51 F ( 11 centígrados). La temperatura mas elevada que se haya presentado fue en septiembre de 1954 cuando el mercurio marco 104 grados Fahrenheit (40 C) por el contrario la temperatura mas baja tuvo lugar en enero de 1985 y fue de – 5 Fahrenheit (-21 C ). Por su ubicación Charlotte se encuentra justo al paso de la banda de humedad subtropical proveniente del Golfo de México y en dirección a la zona costera del este de los Estados Unidos impulsada por el jet stream. Debido a ello goza de abundante precipitación todo el año, en promedio Charlotte recibe 1105.3 mm (43.52 pulgadas) de lluvias anualmente incluyendo algo de nieve invernal y en forma mas frecuente tormentas de hielo debido a su ubicación tierra adentro.

En 1989 la ciudad recibió al impacto directo del Huracán Hugo, dicho fenómeno atravesó la ciudad con ráfagas cercanas a los 160 Km. por hora (100 mph). Hugo causó enormes daños a la propiedad y dejo sin electricidad al 98 % de la población. Muchos residentes estuvieron sin energía eléctrica por semanas y las obras de limpieza tomaron meses en concluir.