Москва находится в центре европейской части России, в междуречье Оки и Волги, на стыке Смоленско-Московской возвышенности (на западе), Москворецко-Окской равнины (на востоке) и Мещёрской низменности (на юго-востоке). Территория города на 2006 год составляет 1081 км², что делает его самым маленьким по площади субъектом Российской Федерации. Основная часть (877 км²) находится внутри кольцевой автомагистрали (МКАД), остальные 204 км² — за кольцевой автодорогой.

Средняя высота над уровнем моря составляет 156 м. Наивысшая точка находится на Теплостанской возвышенности и составляет 255 м. Протяжённость Москвы с севера на юг в пределах МКАД — 38 км, за пределами МКАД — 51,7 км, с запада на восток — 39,7 км.

Город располагается на обоих берегах реки Москвы в её среднем течении. Помимо этой реки, на территории города протекает несколько десятков других рек, наиболее крупные из которых — притоки Москвы, в частности Сходня, Химка, Пресня, Неглинная, Яуза и Нищенка (левые), а также Сетунь, Котловка и Городня (правые). Многие малые реки (Неглинная, Пресня и др.) в пределах города протекают в коллекторах.

В двухтысячных годах город переживает капитальное архитектурное преобразование. Город серьёзно перестраивается — строятся многоэтажные офисные здания, современная транспортная инфраструктура, элитное жилье, возник новый деловой центр — район «Москва-сити». В то же время, отмечается, что этот «строительный бум» приводит к разрушению исторического облика города, уничтожению архитектурных памятников и сложившейся городской среды. Серьёзную проблему представляет недостаточно развитая транспортная инфраструктура, приводящая к автомобильным «пробкам» и перегруженности общественного транспорта.