南京素有“自然地質博物館”之稱，長江河漫灘、富水軟土、丘陵地、喀斯特等多種地貌單元並存於此。南京為寧鎮丘陵區，低山緩丘，占國土總面積的3.5%，丘陵占4.3%，丘陵占53%，平原、窪地、河湖占39.2%。江北寧鎮山脈和嶗山位於城市中部，恒山和東麓山位於秦淮河流域丘陵區南部。南京的平面位置南北長、東西窄，南北直線距離150 km，中間東西寬50 ~ 70km，南北兩端東西寬約30 km。南部是由低山、丘陵、河谷平原、湖濱平原和沿江河流組成的地貌綜合體。
南京屬北亞熱帶濕潤氣候，四季分明，雨量充沛。年平均降雨量117天，平均降雨量1106.5mm，相對濕度76%，無霜期237天。每年6月下旬至7月上旬為雨季。年平均氣溫為15.4℃，年極端氣溫為39.7℃和-13.1℃。
南京4月1左右進入春季，6月8日左右進入夏季，9月18左右進入秋季，10月12左右進入冬季。南京春秋短，冬長夏長，冬夏溫差顯著。由於大氣環流的變化和南京不斷的植樹造林，南京夏季的熱度比其他城市低很多，所以去掉了“火爐”這個名字。