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Vue satellite prise par la NASA de la zone métropolitaine de Sydney.

La ville de Sydney est située dans un bassin côtier encadré par l'océan Pacifique à l'est, les Montagnes bleues à l'ouest, le fleuve Hawkesbury au nord et le plateau de Woronora au sud. Sydney se trouve sur un littoral où le niveau de l’océan est monté et a inondé de profondes vallées (rias) découpées dans le grès. Une de ces vallées noyées, Port Jackson, autour de laquelle s’est construite la ville, est le plus grand port naturel au monde. Il y a plus de 70 plages dans la zone urbaine, y compris les célèbres plages de Bondi et Manly. L'agglomération de Sydney s'étend sur près de 12 145 kilomètres carrés et comprend la côte centrale (bande cotière au nord de Port Jackson) et les Montagnes bleues, ainsi que des parcs nationaux et d'autres zones non urbanisées.

Géographiquement, Sydney s'étend sur deux régions principales : la plaine de Cumberland, une région relativement plate située au sud et à l'ouest du port, et le plateau de Hornsby, un plateau de grès situé principalement au nord du port, découpé par des vallées profondes. Les parties les plus anciennes de la ville se trouvent dans les zones les plus plates du sud de la baie ; le rivage nord a été plus lent à se développer à cause de sa topographie accidentée, jusqu'à ce que le Harbour Bridge soit ouvert en 1932, reliant le nord au sud de la baie.