Das Wachstum der Stadt, die hohe Industriedichte und Verkehrskonzentration führen in São Paulo zu zahlreichen Umweltproblemen. Die Verschmutzung der Luft, die Belastung der Gewässer, die Belästigung durch Lärm und Emissionen durch den Verkehr sowie Entsorgungsprobleme bei Müll und Abwasser sind die gravierendsten Probleme São Paulos.
Die Verschmutzung des Wassers des Rio Tietê und des Rio Pinheiros durch industrielle und häusliche Abwässer hat dazu geführt, dass diese beiden Hauptflüsse im Stadtgebiet biologisch tot und zu reinen Abwasserkanälen mit hohen Konzentrationen an Schwermetallen geworden sind.
Die Versiegelung der Flächen engt nicht nur die Möglichkeiten zur Erholung der Bevölkerung auf wenige gut erreichbare Parks in der Stadt stark ein, sondern behindert auch den Abfluss der Niederschläge. So kommt es in São Paulo besonders während der Sommermonate (Dezember bis März) immer wieder zu Überschwemmungen weiter Teile der Stadt, oft auch mit einigen Todesopfern.
Die Ver- und Entsorgung variiert sehr stark je nach dem sozialen Status eines Stadtteiles. Vom Citybereich und den innenstadtnahen gehobenen Wohnbereichen des Übergangsgebiets nimmt die Qualität dieser Dienstleistungen und infrastrukturellen Einrichtungen zum Stadtrand hin schnell ab. Die Qualität von Luft und Wasser ist im metropolitanen Kerngebiet allerdings schlechter als in zahlreichen peripheren Bezirken. So hat die Schadstoffbelastung der Luft trotz eines leichten Rückgangs bei einzelnen Stoffen immer noch alarmierende Ausmaße, die durch Industriebetriebe (vor allem Schwebstäube, Stickstoffdioxid, Schwefeldioxid) und den Straßenverkehr (Kohlenmonoxid) verursacht werden.
Rund 90 Prozent der schlechten Luftqualität wird durch den Straßenverkehr bewirkt. Durch die Beckenlage São Paulos mit fehlendem Luftaustausch und häufigen thermischen Inversionen im Winter (Juni bis August) sind Atemwegserkrankungen bei der Bevölkerung sehr häufig. Eine städtische Weisheit besagt, dass Krankheiten mit dem Regen kommen. Das lässt sich darauf zurückführen, dass die Niederschläge Schadstoffe aus der Luft auswaschen und zurück in Bodennähe transportieren.