Расположен на побережье Енисейского залива, на западной оконечности Берега Петра Чичагова полуострова Таймыр и на острове Диксон, разделённых полуторакилометровым проливом.

Полярный день длится с 5 мая по 10 августа, а полярная ночь — с 11 ноября по 1 февраля, неполные, сумеречные ночи, когда солнце не опускается ниже −18 градусов — чуть более половины года, с 18 марта по 27 сентября.

Климат очень суровый. Отрицательные среднедневные температуры на Диксоне — с середины сентября до конца мая — начала июня. Температура августа (самого теплого месяца) — +4,8 °C. Среднегодовая температура — −11,4 °C. Абсолютный минимум температуры был зарегистрирован 7 февраля 1979 года и составил −48,1 °C, абсолютный максимум температуры был отмечен 3 августа 1945 года, составив 26,9 °C.[3]. Самый холодный месяц — февраль, январь является вторым самым холодным месяцем. По сравнению с мысом Челюскин, также расположенном на Таймыре, но севернее и восточнее, климат Диксона заметно мягче и не такой суровый, посёлок занимает второе место в Северном полушарии среди самых низких среднемесячных и минимальных температур июня (-3.3 °C и −17.3 °C соответственно) после Челюскина, с 4 июня до середины сентября, более трёх месяцев, средняя температура положительная, климатическая зима продолжается более восьми с половиной, но менее девяти месяцев, снег тает в среднем в середине июня и образуется в первой половине второй декады сентября. С января по март оттепели исключены. Абсолютный минимум температуры в Диксоне в мае на 0.1 градус выше, чем в Оймяконе, Оленьке и на мысе Челюскин соответственно (−28.8 °C и −28.9 °C).