Douai est une commune française située dans le département du Nord en région Hauts-de-France, plus précisément dans le sud de la Flandre romane. Au cours de son histoire, elle a appartenu successivement au royaume de France, aux Pays-Bas espagnols et aux Pays-Bas méridionaux (en latin Belgica Regia).
Avec Lille et les cités de l'ancien bassin minier du Nord-Pas-de-Calais, elle forme un ensemble métropolitain de près de 3,8 millions d'habitants, appelé « aire métropolitaine de Lille ». Avec Lens, elle forme l'Unité urbaine Douai-Lens, forte de 505 839 habitants selon les recensements de population au 1er janvier 2021, la dixième agglomération française par le nombre d'habitants, derrière Paris, Lyon, Marseille, Toulouse, Lille, Bordeaux, Nice, Nantes et Toulon.
Les habitants de Douai sont les Douaisiens. La région s'appelle le Douaisis.
La ville de Douai est très proche de grandes capitales européennes comme Bruxelles (à 140 km et à 1 h 40 min de trajet), Paris (à 190 km, reliée en un peu plus d'une heure en TGV) ou Londres (à 290 km). La ville est située à 38 km de Lille (19 minutes de trajet en train, 35 minutes en voiture) entre Arras, Cambrai et Valenciennes.
Douai est la ville la plus méridionale de Flandre, à la limite avec l'Artois.
Les axes de communication sont nombreux à Douai et font d'elle une ville carrefour. La gare de Douai occupe une place importante dans cette organisation. La ville est aussi un maillon du réseau de bus EVEOLE (totalement gratuit) et le réseau de transport urbain (SMTD).
Les communes limitrophes sont Anhiers, Cuincy, Flers-en-Escrebieux, Lallaing, Lambres-lez-Douai, Lauwin-Planque, Râches, Roost-Warendin, Sin-le-Noble et Waziers.
La commune est située dans le bassin Artois-Picardie. Elle est drainée par la Scarpe canalisée, le canal de la Deûle, la dérivation de la Scarpe, l'Escrebieux, le Collecteur du Chemin Vert, le Courant de l'Enfant Jesus, la dérivation de la Raches, la Traitoire de Sin, le canal de Jonction à Douai du Conf Scarpe canalisée à dérivation de la Scarpe, la Cunette ou Scarpe, le Godion Inverse, le Lambres-lez-Douai et divers autres petits cours d'eau.
La Scarpe, canalisée en 1820, traverse le centre de Douai. Ce canal au gabarit étroit est doublé par un canal de dérivation ouvert en 1895 qui passe à l'ouest des boulevards de ceinture de la ville ancienne (emplacement des anciennes fortifications). Ce canal de dérivation est devenu un élément de la liaison à grand gabarit Dunkerque-Escaut aménagée vers 1960. Il relie le confluent du canal de la Sensée (autre partie de la liaison à grand gabarit) avec le canal de la Scarpe supérieure (à petit gabarit) à Corbehem au sud de l'agglomération, au confluent du canal de la Deûle (également partie du canal à grand gabarit) avec le canal de la Scarpe inférieure à Flers-en-Escrebieux au nord. La Scarpe inférieure canalisée à gabarit Freycinet, longée sur sa rive droite par une voie verte, est un affluent de l'Escaut, le confluent étant situé à Mortagne-du-Nord.
Un port pour la batellerie se trouve à Dorignies au nord de Douai.
Le canal de la Deûle est un canal, chenal navigable, d'une longueur de 59 km, prend sa source dans la commune et se jette dans la Lys à Deûlémont, après avoir traversé 40 communes.
L'Escrebieux, d'une longueur de 12 km, prend sa source dans la commune de Izel-lès-Équerchin et se jette dans le canal de la Deûle à Flers-en-Escrebieux, après avoir traversé sept communes.
Le territoire communal est couvert par le schéma d'aménagement et de gestion des eaux (SAGE) « Scarpe aval ». Ce document de planification concerne un territoire de 624 km2 de superficie, délimité par le bassin versant de la Scarpe aval, comprenant la Pévèle, la plaine de la Scarpe et le bassin minier avec l'Ostrevent. Le périmètre a été arrêté le 18 mars 1997 et le SAGE proprement dit a été approuvé le 12 mars 2009, puis révisé le 5 juillet 2021. La structure porteuse de l'élaboration et de la mise en œuvre est le parc naturel régional Scarpe-Escaut.
La qualité des cours d'eau peut être consultée sur un site géré par les agences de l'eau et l'Agence française pour la biodiversité.
Plusieurs études ont été menées afin de caractériser les types climatiques auxquels est exposé le territoire national. Les zonages obtenus diffèrent selon les méthodes utilisées, la nature et le nombre des paramètres pris en compte, le maillage territorial des données et la période de référence. En 2010, le climat de la commune était ainsi de type climat océanique dégradé des plaines du Centre et du Nord, selon une étude du Centre national de la recherche scientifique (CNRS) s'appuyant sur une méthode combinant données climatiques et facteurs de milieu (topographie, occupation des sols, etc.) et des données couvrant la période 1971-2000. En 2020, le climat prédominant est classé Cfb, selon la classification de Köppen-Geiger, pour la période 1988-2017, à savoir un climat tempéré à été frais sans saison sèche. Par ailleurs Météo-France publie en 2020 une nouvelle typologie des climats de la France métropolitaine dans laquelle la commune est exposée à un climat océanique et est dans la région climatique Nord-est du bassin Parisien, caractérisée par un ensoleillement médiocre, une pluviométrie moyenne régulièrement répartie au cours de l’année et un hiver froid (3 °C). Elle est en outre dans la zone H1a au titre de la réglementation environnementale 2020 des constructions neuves.
Pour la période 1971-2000, la température annuelle moyenne est de 10,6 °C, avec une amplitude thermique annuelle de 14,6 °C. Le cumul annuel moyen de précipitations est de 701 mm, avec 1,2 jours de précipitations en janvier et 9,3 jours en juillet. Pour la période 1991-2020, la température moyenne annuelle observée sur la station météorologique installée sur la commune est de 11,0 °C et le cumul annuel moyen de précipitations est de 729,2 mm.
La température maximale relevée sur cette station est de 40,8 °C, atteinte le 25 juillet 2019 ; la température minimale est de −20,5 °C, atteinte le 8 janvier 1985.
La commune s'inscrit dans les « paysages miniers » tels qu'ils sont définis dans l'atlas de paysages de la région Nord-Pas-de-Calais, conçu par la direction régionale de l'Environnement, de l'Aménagement et du Logement (DREAL). Ces paysages, qui concernent 205 communes réparties sur les départements du Nord et du Pas-de-Calais, sont constitués de 47,8 % de cultures, de 30,7 % d'espaces artificialisés, de 5,90 % de forêts et de milieux semi-naturels, de 5,20 % de prairies naturelles, permanentes, de 4 % d’espaces industriels, 3 % de friches industrielles, de 1,7 % de cours d'eau et plan d'eau et 1,6 % de terrils. À titre de comparaison, les cultures, qui ici, arrivent en tête avec 47,8 %, représentent 80 % des « paysages des grandes plaines arrageoises et cambrésiennes », ce qui montre l'importance des espaces artificialisés, industriels et de friches industrielles avec 37,7 % de ces paysages miniers.