Dakhla est située sur la côte atlantique du Sahara occidental, au bord du golfe du Dakhla.

Dakhla se trouve à 650 km au sud de Laâyoune, et 1 690 km au sud de Rabat, sur une étroite péninsule, la péninsule du Rio de Oro, qui s’étend sur environ 40 km parallèlement à la côte atlantique, direction nord-est sud-ouest. La ville est située à une trentaine de kilomètres au nord du tropique du Cancer, tout comme la Havane, Canton ou Hawaï. C’est l’une des dernières villes avant la Mauritanie.

Dakhla possède un climat désertique tempéré (classification de Köppen BWn) rafraîchi par le courant océanique froid des Canaries qui longe le littoral atlantique nord-africain. Les températures moyennes maximales varient entre 22 °C et 27 °C. Les précipitations annuelles moyennes sont de 33 mm et se répartissent sur 17 jours par an en moyenne. Le climat de la côte, plus frais, contraste avec celui de l’intérieur du pays, où, en été, la température peut largement dépasser les 48 °C.