Il comune sorge nell'alta pianura lombarda, nel margine meridionale della Brianza. Il territorio comunale è per la quasi totalità urbanizzato, ad eccezione della zona agricola orientale e settentrionale compresa nel Parco Grugnotorto Villoresi e di alcune aree a ridosso del fiume Seveso, il corso d'acqua che attraversa la città da nord a sud. Un ulteriore corso d'acqua che attraversa Paderno Dugnano è il canale Villoresi, non lontano dal quale corre il confine che divide Paderno Dugnano dal comune di Varedo.

Paderno Dugnano è un comune della prima cintura urbana di Milano ed è situato a circa una decina di chilometri, in linea d'aria, a nord da Piazza del Duomo.