台北市中心區域位於台北盆地底部，大屯火山群（休眠火山）位於市區北邊與台北縣接壤處，整個山系於市區內大致向南延伸並趨緩，直抵圓山、大直與內湖等地，是台北市境內最大的山系；最高的七星山為1,120公尺，次高的大屯山為1,092公尺，山系中心地帶與北投側的外緣地帶有不少火山地形。市區東邊的內湖、南港與南邊的木柵多為丘陵地形；標高約300多公尺的南港山系（拇指山系）則橫亙於信義、南港兩區之間。

水文

台北市境內的河流絕大部分屬於淡水河流域。淡水河的支流新店溪自台北盆地的南邊流入，與其支流景美溪合流後，形成台北市西南方與台北縣的自然邊界。河道向西北蜿蜒流經景美、公館、古亭等地，至萬華附近與大漢溪合流後，始稱為淡水河。此後向北流經大稻埕、社子，至關渡附近與支流基隆河會合前，亦形成台北市西方與台北縣的自然邊界。基隆河自盆地東北邊流入，經南港、松山、內湖、士林、北投等地，橫貫台北盆地的北半部。過去因河道極為彎曲，每遇大雨常有水患，因此在南港至士林間的部分河道實施過截彎取直工程。景美溪係由盆地東南邊流入，橫貫文山區後於景美注入新店溪。另有發源於盆地北側山區的磺溪、外雙溪等河流，匯集後注入基隆河。

氣候

台北市位於北緯25度線附近，又因為是在海島上，地處東亞大陸與太平洋之間，深受乾冷的蒙古高氣壓與暖濕的太平洋高氣壓交互影響，形成了副熱帶季風氣候。四季變化明顯：通常3～5月為春季、6～8月為夏季、9～11月為秋季、12月～次年2月為冬季。有時受到全球暖化或特殊的氣候變化影響，也會出現較暖的冬天，或是較冷的春天（如2005年2～3月蒙古高氣壓帶來的強烈冷氣團，使得台北的溫度少見地降至攝氏5.6度，鄰近台北的淡水更出現攝氏3.9度的低溫）。由於位在東亞季風帶內，因此氣候也受東北季風（冬季由東北方吹來含有許多水氣的季風，此風也是在冬季帶給台灣北部降水的主要來源）影響。也因為有東北季風的影響，才不致使淡水河有因水量不足而斷流的問題。

另外還有一個特殊的氣候特徵：因為市區主要位於台北盆地中，氣候也深受盆地地形影響。夏季由於盆地周圍的高山而不易使熱氣排出，使得市內的氣溫通常較周圍的地區高出攝氏1~2度。進入冬季後，市區周圍的山地與丘陵地較容易形成地形雨。每年5月前後，由於蒙古高氣壓與太平洋高氣壓交會形成鋒面，使得台灣進入梅雨季節，此時台北的降雨天數也會增加。夏季也經常會因為上升氣流旺盛，形成午後雷陣雨。