Das Gemeindegebiet der Stadt Zürich nimmt eine Fläche von 91.88 km² ein, wovon 4.1 km² auf den Zürichsee entfallen. Es umfasst einen Abschnitt des nördlichen Schweizer Mittellandes. Das Limmattal bildet den wichtigsten Natur- und Siedlungsraum von Zürich. Es ist in Richtung Südost-Nordwest orientiert, wobei der flache Talboden eine Breite von zwei bis drei Kilometern aufweist. Die kanalisierte und teilweise begradigte Limmat fliesst dabei nicht etwa in der Mitte des Tales, sondern stets entlang dem rechten (nordöstlichen) Talrand. Mit 392 m ü. M. wird an der Limmat bei Oberengstringen der niedrigste Punkt des Gemeindegebietes erreicht.
Auf seiner Westseite wird das Limmattal von den bewaldeten Höhen der Albiskette, des Uetlibergs und des Buechhogers flankiert, auf denen die westliche Gemeindegrenze verläuft. Der Uetliberg, Hausberg der Stadt, bildet mit 869 m ü. M. die höchste Erhebung der näheren Umgebung. Sein Gipfel kann mit der Uetlibergbahn leicht erreicht werden. Von der Plattform des Aussichtsturmes bietet sich ein eindrückliches Panorama auf Stadt und den See sowie bei klarer Sicht bis zu den Alpen. Nach Süden reicht der Gemeindeboden in das untere Sihltal.
Nordöstlich an das Limmattal schliesst eine Hügelkette an, welche die Wasserscheide zwischen der Limmat und der Glatt markiert. Von Nordwesten nach Südosten nimmt die Höhe der zumeist waldbedeckten Kuppen zu: Hönggerberg (541 m ü. M.), Käferberg (mit Waidberg, 571 m ü. M.), Zürichberg (676 m ü. M.) und Adlisberg (701 m ü. M.). Zwischen dem Käferberg und dem Zürichberg befindet sich mit dem vollständig überbauten Sattel des Milchbucks (rund 470 m ü. M.) ein wichtiger Übergang vom Limmat- ins Glattal.
Der nördlichste Gemeindeteil erstreckt sich in die Ebene des Glattals und in die Senke, welche die Verbindung zwischen dem Glattal und dem Furttal herstellt. Auch ein Teil des Katzensees (Naturschutzgebiet) sowie der Büsisee, die beide durch den Katzenbach zur Glatt entwässert werden, gehören zum Stadtgebiet.