Москва находится в центре Восточно-Европейской равнины, в междуречье Оки и Волги, на стыке Смоленско-Московской возвышенности (на западе), Москворецко-Окской равнины (на востоке) и Мещёрской низменности (на юго-востоке), недалеко от границы лесной и лесостепной природной зоны, которая подступает к городу с юго-востока по долине реки Москвы. Город располагается на Русской плите, входящей в состав Восточно-Европейской платформы; к северу и северо-востоку от Москвы находится Московская синеклиза — крупнейшая депрессия центральной части Восточно-Европейской платформы. Территория города по состоянию на 1 января 2014 года составляет 2561,5 км², примерно треть этой площади (878,7 км²) находится внутри кольцевой автомагистрали (МКАД).

Климат Москвы — умеренно континентальный, с чётко выраженной сезонностью. Согласно климатическому районированию России, Москва находится в атлантико-континентальной европейской (лесной) области умеренного климатического пояса. Зима (период со среднесуточной температурой ниже 0 °C) в среднем длится около 4 месяцев, со второй декады ноября (12 ноября) до второй декады марта (19 марта). Дневная температура устойчиво возвращается к положительным значениям 3 марта. В период календарной зимы могут отмечаться непродолжительные (3—5 дней) периоды сильных морозов (с ночной температурой до −20 °C, редко до −25..−30 °C). При этом в декабре и начале января часты оттепели, когда температура с −5..−10 °C поднимается до 0 °C и выше, иногда достигая значений в +5..+9 °C. По данным метеостанции ВДНХ (за период 1991—2020 годов), самым холодным месяцем года является январь (его средняя температура составляет −6,2 °C[34]). Весенние сезоны по продолжительности варьируются год от года и могут составлять от 1 до 3 месяцев. Иногда практически летние температуры регистрируются в начале апреля, в то же время в конце мая — начале июня случаются возвраты холодов. Лето (период с дневной температурой выше +20 °C и среднесуточной выше +15 °C) длится около 3,5 месяцев, с третьей декады мая (23 мая) до конца августа (31 августа), дневная температура нередко достигает 30-градусной отметки (в среднем 6—8 дней за сезон, в 2010 году — непрерывно 1,5 месяца). 35-градусная отметка за последние 30 лет достигалась 18 раз, из них 16 — в 2010 году. Самым тёплым месяцем является июль (его средняя температура за период 1981—2010 годов составляет +19,2 °C). Осень в Москве затяжная, наступает с началом сентября, заканчивается в середине ноября — начале декабря, когда среднесуточная температура становится устойчиво ниже 0 °C. Нередко температура после начала метеорологической зимы возвращается к положительным значениям, полностью сходит снежный покров.