北京地勢西北高，東南低。西部、北部和東北部三面環山，東南部是一片緩緩向渤海傾斜的平原。山地和平原分別占總面積的62%和38%。西部北部為山地。西山屬太行山系，與市區接近的是太行山余脈，由幾條東北一西南向山嶺組成，人們稱作西山。這裡叢林茂密、山濤雲海、廟宇棋布、洞壑深邃，造就出富有江南情調的景色，故古人有「十里青山行畫裡，雙飛白鳥似江南」之讚譽。北部的軍都山屬燕山山脈，層巒疊翠，斷襲作用強烈，形成延慶盆地和居庸關、古北口等關隘，自西向東直抵渤海之濱的山海關。宋蘇轍說：「燕山如長蛇，首銜西山麓，尾掛東海岸」。北京境內的軍都山、八達嶺、鳳駝梁等山峰，均屬燕山山脈，一般海拔都在千米以上。一般認為，兩條山脈在南口鎮北面的關溝交會。在地質構造上，這裡是一個大斷層，兩側的地殼運動不同，再加上山間小河流水沖刷、切割，逐漸形成關溝，成了兩山的天然分界線。南部是由永定河和潮白河沖積而成的「京灣平原」，海拔在50米以內。
境內主要山峰有：東靈山海拔2303米，為北京第高峰，位於門頭溝區與河北涿鹿縣交界處；海坨山海拔2241米，為北京第二高峰，位於延慶西北邊緣與河北赤城縣交界處；白草畔海拔2035米，為北京第三高峰，位於房山區與門頭溝區交界處。
太行山和燕山匯集的雨水，順著西北高東南低的地勢，從山區流入平原注入渤海，形成北京地區的河流水系。境內河流主要是西部的永定河和拒馬河，東部的潮白河、北運河。永定河發源於山西高原，經山西、內蒙古、河北入官廳水庫，出水庫入北京市境內，從天津注入渤海，全長650千米，北京境內流長174千米。拒馬河發源於河北省淶源縣，是大清河上游，流經北京市房山區，形成了著名的「十渡風景區」，於河北涿州附近匯入大清河，最後入天津海河注入渤海。潮白河發源於河北省北部，是流經本市最長的河流，其上修建的密雲水庫，是北京生活用水的主要水源地。較大的水庫還有懷柔水庫、白河堡水庫和金海湖等。
北京的氣候為典型的暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，四季分明，夏季炎熱多雨，冬季寒冷乾燥，春、秋短促。年平均氣溫12.3℃，1月最冷，平均氣溫-3.7℃，極端最低氣溫-27.4℃。7月最熱，平均氣溫26.2℃，極端最高42℃以上。全年無霜期186天，西部山較短。年降雨量571.9毫米。為華北地區降雨最多地區之一，山前迎風坡可以達到900毫米以上。降水季節分配很不均勻，全年降水的75％集中在夏季，7、8月常有暴雨。