원래 광주 일대는 삼국시대 백제와 남북국시대 신라에 의해 무진군(武珍郡), 무진주(武珍州)-무주(武州)로 불렸다. 이두에서 珍의 새김(훈)은 돌, 들로서 순우리말로 무돌, 또는 무들이 되며 '물(水)' + '들(野)'의 의미인 것으로 보인다. 광주에서 가까운 전라남도 나주시 영산포에도 이두로 水入伊(무들이)라고 읽는 지명이 남아 있다. 광주의 유명한 산인 무등산(無等山) 역시 순우리말 '무들'을 한자로 옮겨 적은 여러 다른 표기 가운데 하나이며, 무주는 신라 경덕왕의 한화정책으로 지명이 개정될 때 등장하는데, 아예 새로운 한자를 붙인 게 아니라 원래 지명을 고려하여 명명한 것에 해당한다. 오늘날 쓰이는 광주(光州)란 이름은 고려 태조(고려) 23년인 940년에 처음으로 생긴 이름이다. 왜 광주라 바꾼 것인지는 명확하게 알 수 없지만 고려 말의 대학자 이색이 '석서정기'라는 책에서 광주를 가리켜 "光之州"라 언급한 것으로 미뤄볼 때 빛의 고을이란 의미인 것은 분명해 보인다. 그래서 이를 다시 우리말로 푼 빛고을이란 이름도 많이 쓴다.
과거 광주읍 일대는 광주천과 무등산에서 흘러나온 수많은 소하천들로 인해 늪지가 많았다. 지금은 사라진 광주의 고 유적인 경양방죽 또한 광주읍성 외곽의 수많은 늪지대들의 물을 빼기 위한 관개시설이었다. 따라서 물이 많은 들판 이라 해 '물들'이라는 지명으로 불리게 되었고, 발음상 편의를 위해 물들에서 '무들', '무등' 등으로 변해 불리웠다. 이어, 전국 지명의 한자화 정책에 의해 '물들'은 '무(無)주(州)' 가 되었고, 이 무주에 보배 진(珍)을 넣어 무진주, 무진 등의 이름으로 불리게 되었다. 똑같이 무등산은 물들의 뒷산이라 하여 무들산, 무등산이 되었다는 설이 있다.
또한 고려시대 무진주에서 갑자기 광주로 명칭 변경이 되었는데, 여러 설이 있지만 가장 많이 언급되는 설은 불교를 숭상하던 고려왕조 시대의 사회적 특성을 고려한 해석이 지배적이다. 현재 광주 외곽에서 옛 광주 구시가지(동구 일대)를 진입하려면 영산강을 건너야 하는데, 이 영산강이 광주 지역에서 불리우는 이름은 '극락강' 이며, 그렇기에 극락강을 넘어야 도착할 수 있는 땅. 즉 무등산 아래 불국정토의 땅. 빛(光) 고을(州)라 해 광주가 되었다는 설이다.
전라남도의 북부 중앙에 있으며 의외로 해안과 가까운 도시로 시청에서 서해까지는 35km이다. 이로 인해 내륙과 해안의 점이 지대의 기후를 가지고 있다.
국가 하천인 영산강, 황룡강, 광주천, 공산강 등이 있다. 전술한 지명 유래답게 구하도, 배후 습지 등 하천지형이 발달하였으나 도시화가 진행됨에 따라 많은 부분이 사라졌다.
무등산 동쪽인 화순부터는 푄 현상의 영향으로 온대 하우 기후 기후로 바뀐다. 연평균기온은 14.1℃이며 1월 평균기온 1.0℃이고 8월 평균기온 26.5℃이다. 기온관측이 시작된 1938년 이후 역대 최저기온은 1943년 1월 5일 -19.4℃, 역대 최고기온은 2018년 8월 15일 38.5℃ 이다.
평균 습도는 70%며 여름에는 80%, 겨울에는 67%정도이다. 연강수량은 1,400mm으로 한반도 내에서도 많은 편이고, 다우지, 다설지에 해당한다. 여름은 여타 남부 지방과 기온이 비슷하며 겨울도 그러하다. 다만 열섬 현상을 받는 대도시답게 일 최고기온과 최저기온의 차이가 주변 지역보다 적은 편이며 기온변화가 심한 편이 아니라 여름에는 열대야 현상이 매우 잦다. 5월부터 슬슬 시작되는 더위가 열섬 현상으로 인해 여름내내 달궈진 땅이 주변 지역보다 더디게 식기도 하여 9월의 늦더위로까지 길게 이어진다.
한국 대도시 가운데 분지 지형이 아닌 곳이 드물지만, 광주는 거대한 화산분지지형이라 대구와 더불어 여름철에 더운 도시로 꼽히는데 같은 온도라도 온난 습윤 기후 특성상 여름철 평균 습도가 더욱 높아 대구보다 더 더울 수도 있다. 역대 최고기온은 2018년 7월 27일 38.5도, 역대 최고 최저기온은 1951년 8월 20일 29.8도,, 역대 최다 폭염일수(최고기온 33도 이상)는 1994년 45일, 역대 최다 열대야 일수도 1994년 37일이다.
광주는 자연재해가 별로 없는 편이긴 하지만, 한반도의 남쪽에 있기에 태풍이 세게 치긴 한다. 겨울에 눈도 많이 오는 편. 다만 매년 불어오는 태풍의 8할은 광주까지 도달하지도 못하고 비껴가는 편이다. 그나마 집중호우는 광주가 영산강 중상류에 위치해 있다보니 물빠짐이 빨라서 침수가 잘 되지 않는다. 그런데 2020년에는 지속되는 폭우로 인해 광주도 영산강, 광주천이 범람 직전까지 물이 차오르고, 북구 신안동, 문흥동 일대와 광주 전역에 산재된 지하차도들이 물에 완전히 잠기는 등 큰 피해를 입었다. 이 탓에 2020년에는 비가 2,000mm 넘게 매우 많았다.
또한 겨울철 습기를 많이 머금은 북서풍이 산맥에 부딪혀 많은 눈을 뿌리는 강설 특성을 보여주는 호남 서해안 지방 중 가장 내륙에 위치해 있다. 광주는 동남쪽에 무등산 (1,187m)이 솟아 있다 보니, 겨울철에 서해에서 습기를 잔뜩 머금은 북서계절풍이 무등산에 정타로 부딪히며 광주 시가지에 수많은 눈을 뿌려 남부 지방치고 많은 강설량을 보인다. 30년 연평균 눈 일수만 보더라도 광주·전남 지역은 광주(28.4일), 전남 목포(26.1일)로 중부 지방인 서울(23.9일), 최전방에 위치한 강원도 철원(10.8일) 보다 더 많은 눈 일수를 보인다. 똑같이 남부 지방이지만 동쪽에 위치한 부산의 경우 30년 연평균 눈 일수가 2.2일밖에 되지 않는다. 즉 대한민국 대도시 중에는 광주가 가장 눈이 많이 온다.
해외와 비교해보면 광주와 기후가 비슷한 곳은 중국에서는 허난 성 정저우시나 장쑤성 북부, 산둥성 남부 정도가 있으며 미국에서는 버지니아 주, 메릴랜드, 테네시 내슈빌 이나 미주리 남부, 오클라호마 주 북부, 일본에서는 가나가와현, 도쿄도
2020년 폭우와 다르게 2022년은 연초부터 전국적으로 가뭄이 터지기 시작했고, 여름철에도 다우지인 광주답지 않게 비가 매우 적게 내렸다. 사실 2022년은 중부지방은 2022년 중부권 폭우 사태로 폭우가 심했지만, 남부지방은 매우 적게 내려서 지역별 차이가 큰 탓에 남부지방의 가뭄은 더 심해졌다. 그나마 전북과 경북 북부는 중부지방에 가까워서 비가 다소 내렸고, 경상동해안, 남해안은 힌남노로 폭우가 내린 탓에 비교적 덜하지만, 광주광역시와 전라남도는 그조차도 아니라 1973년 이후 최악의 가뭄을 맞이했다. 2022년 11월 기준 주요 댐 저수율이 30% 이하로 떨어진 것으로 확인되며 전남 일부 지역은 6개월 넘게 정상적인 물 공급을 하지 못하고 있어 물 쓰는 날을 정해놓고 제한 급수나 운반 급수로 생활 중이다. 이에 따라 광주 전역과 전남 12개 시군이 생활용수 가뭄 5단계 중 4단계인 '경계' 단계에 올라 물 절약을 호소하고 있으며 광주도 2023년 1월 ~ 3월쯤 30년 만에 제한 급수가 이뤄질 가능성이 컸다. 2022-2023년 한반도 가뭄 참조. 11월 26일 기준 변기에 페트병 물을 넣거나 넣어둘 벽돌을 나눠주어 각 공공기관과 가정집 등에서 수압을 조절하고 있다. 1 2
그나마 11월 28일 오후부터 29일 오전까지 단비같은 폭우가 쏟아졌다. 29일 오전 8시 기준 광주·전남 지역 강수량은 최소 7.1㎜에서 최대 138.5㎜이다. 그 탓에 제한급수를 어느 정도 미룰 수 있다.
12월 23일 ~ 24일까지 호남 지방에 2주간 2022년 한반도 폭설 사태가 닥쳤으나 동복댐 저수율은 28.4%에서 26.7%로 오히려 줄어드는 등 가뭄이 해갈되지 않고 있다. 내린 눈이 수상당량비가 낮은 건조한 눈이어서 내린 눈의 5%가량만 물로 바뀐 탓에 해갈에 별 도움이 안 되었기 때문이라고 한다. 하지만 타 지역과 다르게 12월 강수량이 많았다. 그러나 2022년 광주의 연 강수량은 769mm로 다우지인 광주를 고려하면 평년의 절반을 겨우 넘어 매우 가물었다. 심지어 2023년 3월 기준으로는 오히려 더 심해져서 6월이면 동복댐도 바닥이 난다는 얘기까지 나왔다. 그나마 4월 5일에 봄비가 내렸다.
2023년 5월 4일부터 5월 6일까지 남부 지방에 150mm가 넘는 폭우가 내렸다. 그 덕에 주요 댐들의 저수율이 높아졌으며 완도 5개 섬 지역(완도 노화·보길·금일·소안·넙도)은 5월 8일부터 9일까지 단계적으로 제한 급수를 해제하고 정상 급수를 실시하는 등 가뭄 문제가 어느 정도 해결이 될 것으로 보인다. 게다가 6월에도 심한 폭우가 내려서 상반기가 평년보다 매우 습했으며 770mm가 넘어 2022년 1년 치 강수량을 넘겼다.