London erstreckt sich etwa 45 Kilometer entlang der schiffbaren Themse und liegt durchschnittlich 15 Meter über dem Meeresspiegel. London entstand aus einer Siedlung am Nordufer, der heutigen City of London. Die London Bridge war bis 1739 die einzige Brücke über den Fluss.
Aus diesem Grund befindet sich der größere Teil der Stadt nördlich des Flusses. Mit dem Bau weiterer Brücken im 18. Jahrhundert und dem Bau der Eisenbahnen im 19. Jahrhundert begann sich die Stadt in alle Richtungen auszudehnen. Die Landschaft ist flach bis leicht wellig, wodurch das ungehinderte Wachstum begünstigt wurde.
Die Themse war in früheren Zeiten wesentlich breiter und seichter als heute. Sie wird heute fast gänzlich durch Dämme begrenzt und die meisten Zuflüsse fließen unterirdisch. Die Gezeiten der Nordsee machen sich in London noch deutlich bemerkbar, die Stadt ist deshalb durch Überschwemmungen und Sturmfluten gefährdet. Bei Woolwich (östlich von Greenwich gelegen) wurde in den 1970er Jahren der Thames Barrier gebaut, um diese Gefahr einzudämmen.
Die geografischen Koordinaten des Stadtzentrums (in der Nähe des Trafalgar Square) sind 51,30 Grad nördlicher Breite und 0,08 Grad westlicher Länge. Durch das königliche Observatorium, dem Royal Greenwich Observatory in Greenwich, wurde der bekannte Nullmeridian gelegt. Er ist Ausgangspunkt der Längengrade und damit auch der Zeitzonen.