北京平原面積6400km2，海拔10 ~ 55m，地勢西北高，東南低，平均坡度1‰~ 2‰，是典型的山前斜坡平原地貌。四環以內，中心城區建築眾多，四環至六環之間，分布著十個大小不壹的邊緣組團和住宅小區、高新技術產業區和經濟開發區。
北京的氣候是典型的暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，夏季炎熱多雨，冬季寒冷幹燥，春秋短。年平均氣溫10℃ ~ 12℃，最低氣溫1，月平均-7℃~ 4℃，最高氣溫7月，月平均25℃ ~ 26℃。極端最低-27.4℃，極端最高42℃以上。2005年平均氣溫13.2℃，2月最冷，平均氣溫-2.9℃，7月最熱，平均氣溫27.9℃。最近10年有明顯的上升趨勢。全年無霜期180 ~ 200天，西部山區較短。年平均降雨量600mm，是華北地區雨水最多的地區之壹，山前迎風坡可達700 mm以上，降水的季節分布很不均勻。全年75%的降水集中在夏季，7、8月份常有暴雨。
根據北京各氣象站降雨資料統計，降雨的年內和季節變化也很大，1959年達到1406.0mm，1999年只有266.9mm，而且經常出現連續幹旱或多雨的年份(如1999年至2005年，年均降雨量只有450mm)，遠高於其他氣象站。2005年的平均降水量只有410.7毫米。
北京蒸發量大於降水量，各站水面年平均蒸發量約為1800mm，其中北京站年平均蒸發量為1980 ~ 2000+0826.1 mm..
北京平原屬於海河流域，河網發達。大小河流100多條，分屬五大水系。自西向東分別為大清河水系、永定河水系、北運河水系、潮白河水系、薊運河水系。其中，除北運河上遊的溫榆河發源於西山與北山交匯的山前地帶外，其余四大水系均由境外流入。
大清河系的支流有拒馬河、大石河、小清河。拒馬河是發源於河北省淶源縣的大清河的主要支流之壹。大石河和小清河分別發源於房山區和豐臺區。這三條河流自西向東貫穿房山區和門頭溝、豐臺區部分地區，北京市流域面積2219km2，其中山區1615km2。
永定河在三家店地區進入平原地區，斜穿北京東南，然後離開大興區。中國盆地面積3168km2，其中山地盆地面積2491km2。由於上遊流經土質疏松的黃土高原，攜帶大量泥沙。進入平原後，大量泥沙沈積，河床淤積，從盧溝橋下遊區域形成地上河流。永定河在北京平原的形成中起著非常重要的作用。80年代後，永定河三家店至盧溝橋已成為季節性河流，盧溝橋以下河道常年幹涸。
北運河是隋朝時期修建的人工河，上遊為溫榆河，發源於昌平區軍都山。溫榆河和通惠河在通州鎮東關交匯，稱為北運河，離開通州區。歷史上，北運河是溝通南北的大動脈，可以直達浙江杭州。北京市境內長約50公裏，流域面積4423平方公裏。北京郊區的大部分汙水最終通過其支流流入北運河。高碑店汙水處理廠壹期工程於1993年底建成投產後，對改善北運河水質起到了壹定的作用。
潮白河上遊是潮河和白河。白河發源於河北省沽源縣，流經赤城縣，進入北京，從延慶、懷柔流入密雲水庫。其主要支流有紅河、黑河、天河、唐河。潮河發源於河北省豐寧縣，經灤平、密雲流入密雲水庫。出倉庫後，潮河與白河在密雲縣河槽村匯合形成潮白河，再出北京，經順義進入河北省。北京潮白河流域面積5613km2，其中平原地區流域面積1008km2。以潮白河為主要水源的密雲水庫和懷柔水庫水質良好，通過京密引水渠向北京供水，是北京市地表水和飲用水的重要來源。潮白河向陽村修建水閘，為市第八水源廠水源地提供地下水補給。
薊運河水系主要流經產河，發源於河北省興隆縣，從平谷進入北京，先後接受厝河、金雞河，經平谷南部出境。北京流域面積1377km2，北京平原流域面積688km2。
北京沒有天然湖泊。建國以來，北京市已建成大、中、小型水庫85座，總庫容92×108m3，其中較大的有官廳水庫、密雲水庫、懷柔水庫、海子水庫。由於水庫的建成，山區地表徑流大部分被攔蓄起來。目前，山區地表徑流除大清河水系外，大部分已得到控制。除雨季外，平原河流地表徑流不多或幹涸。北京歷史上曾經有十處濕地，在過去的20 ~ 30年間嚴重退化。