北京市地处华北平原的西北边缘，全市土地面积16410.54km2。地势西北高、东南低，西、北、东三面环山，西部山区统称为西山，属太行山脉；北部山区统称军都山，属燕山山脉；东南部是一片缓缓向渤海倾斜的平原。北京市最高峰东灵山海拔2303m，最低点在通县柴厂屯一带，海拔仅有8m。北京市东部与天津市毗邻，其余均与河北省交界。
北京平原面积6400km2，海拔高度10～55m，西北部地势高，东南部地势低，平均坡度1‰～2‰，是典型的山前倾斜平原地形。四环路内为中心城区，建筑物林立，四环与六环之间为城近郊区，遍布大小不一的十个边缘集团和住宅小区、高新技术产业区和经济开发区。
北京气候为典型的暖温带半湿润大陆性季风气候，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥，春、秋短促。年平均气温10℃～12℃，1月气温最低，月平均-7℃～-4℃，7月气温最高，月平均25℃～26℃。极端最低-27.4℃，极端最高42℃以上。2005年平均气温为13.2℃，2月份最冷，平均气温-2.9℃，7月份最热，平均气温27.9℃。近10年来有明显的上升趋势。全年无霜期180～200天，西部山区较短。年平均降雨量600mm，为华北地区降雨最多的地区之一，山前迎风坡可达700mm以上。降水季节分配很不均匀，全年降水的75%集中在夏季，7、8月常有暴雨。
据北京各气象站降雨量资料统计，降雨量年季变化也较大，1959年高达1406.0mm,1999则仅为266.9mm，且常出现连续的干旱或丰水年份（如1999年至2005年，年平均降雨量仅450mm），比全市1980～2000年多年平均降雨量558.3mm又少了20%。2005年平均降水量仅410.7mm。
北京地区蒸发量大于降水量，各站年平均水面蒸发量在1800mm左右，其中北京站1980～2000年年平均蒸发量为1826.1mm。
北京平原属于海河流域，河网发育，大小河流100多条，分属5大水系，由西向东分别是大清河水系、永定河水系、北运河水系、潮白河水系和蓟运河水系，其中除北运河上游的温榆河发源于西山和北山交汇处山前外，其他4条水系皆自境外流入。
大清河水系支流有拒马河、大石河、小清河。拒马河为大清河的主要支流之一，发源于河北省涞源县，大石河、小清河分别发源于房山区和丰台区，这三条河自西向东纵穿房山区全境和门头沟、丰台区部分地区，在北京境内流域面积2219km2，其中山区1615km2。
永定河在三家店地区进入平原区，斜穿北京东南部，随后由大兴区出境。境内流域面积3168km2，其中山区流域面积2491km2。由于上游流经土质疏松的黄土高原，携沙量大，进入平原后，泥沙大量沉积、河床淤积抬高，自卢沟桥下游地区形成地上河。永定河对北京平原的形成起着十分重要的作用。20世纪80年代以后，永定河三家店至卢沟桥已成为季节性河流，卢沟桥以下常年干枯。
北运河是始于隋朝期间修建的人工河，上游是温榆河，发源于昌平区军都山一带。温榆河、通惠河在通州镇东关汇合后称北运河，从通州区出境。北运河在历史上曾是沟通南北交通的大动脉，向南可直达浙江杭州。北京境内长约50km，境内流域面积4423km2。北京城近郊区的大部分污水通过其支流最终汇入北运河，1993年底高碑店污水处理厂一期工程建成运营后，对北运河河水水质起到了一定的改善作用。
潮白河上游为潮河和白河。白河发源于河北省沽源县，流经赤城县，进入北京境内，由延庆、怀柔汇入密云水库，主要支流有红河、黑河、天河和汤河；潮河发源于河北省丰宁县，经滦平、密云注入密云水库。潮河、白河出库后在密云县河槽村汇合为潮白河，后经顺义出北京，进入河北境内。潮白河在北京境内流域面积5613km2，其中平原区流域面积1008km2。由潮白河提供主要水源的密云水库和怀柔水库水质较好，通过京密引水渠向北京供水，是北京重要的地表水饮用水水源。在潮白河向阳村建成拦河闸，为市水源八厂水源地提供地下水补给水源。
蓟运河水系流经本区的河流主要为泃河，发源于河北省兴隆县，由平谷进入北京境内，先后接纳错河、金鸡河，经平谷南部出境。北京境内流域面积为1377km2，北京平原流域面积688km2。
北京没有天然湖泊。建国以来北京地区先后在上述河流上修建了85座大、中、小型水库，总库容为92×108m3，较大的有官厅水库、密云水库、怀柔水库、海子水库等。由于水库的建成，山区地表径流大部分已拦蓄，目前除大清河水系外，山区大部分地表径流已被控制。平原河道除丰水季节外，地表径流已经不多或干枯。北京历史上曾有十个湿地，近20～30年来退化严重。
