Moskau befindet sich im europäischen Teil Russlands, 55,75 Grad nördlicher Breite und 37,62 Grad östlicher Länge. Die Stadt liegt im Durchschnitt 156 Meter über dem Meeresspiegel im Hügelland zwischen Oka und Wolga und an den zum Teil steilen Ufern der Moskwa, einem Nebenfluss der Oka, die wiederum in die Wolga mündet.
Die Moskwa durchquert das Stadtgebiet in Mäandern von Nordwest nach Südost auf einer Länge von circa 80 Kilometern. Innerhalb Moskaus beträgt die Breite des Flusses 120 bis 200 Meter. Ungefähr 120 kleine Flüsse strömen der Moskwa zu. Mit Ausnahme von 14 wurden sie alle in unterirdische Rohrsysteme verlegt. Der 1937 fertiggestellte, 128 Kilometer lange Moskau-Wolga-Kanal, der im Westen der Stadt in Richtung Norden abzweigt, sorgt für die schiffbare Verbindung des Flusses zum Iwankowoer Stausee beziehungsweise zur Wolga.
Die Stadtgrenze bildet, mit wenigen Ausnahmen, der 1962 angelegte, 109 Kilometer lange äußere Autobahnring (MKAD). Das Stadtgebiet hat eine Fläche von 1097,12 Quadratkilometern. Die Grünflächen machen etwa ein Drittel des Stadtgebietes aus. Dazu gehören circa 100 Parks und über 800 gepflegte Anlagen, bereichert durch ungefähr 500 Teiche.
Um die Stadt zieht sich ein 30 bis 40 Kilometer langer Stadtwaldgürtel mit zahlreichen Erholungs- und Vergnügungseinrichtungen. Die Fläche des Stadtwaldgürtels beträgt 1725 Quadratkilometer.