Moskva ligger i Russlands europeiske del ved Moskvaelven som er en bielv til elveen Oka. De geografiske koordinatene er 37,62 østlig lengde og 55, 75 nordlig bredde, og byen ligger 156 moh. Landskapet er kupert og Teplostanskaya er byens høyeste punkt, 255 moh. Sentrale Moskva avgrenses i hovedsak av en 109 km lang motorvei som ble anlagt på 1960-tallet. Den meandrende Moskvaelven skaper iblant høye skråninger. Elvens lengde gjennom byen er omtrent 80 km og bredden varierer mellom 115 og 200 meter. Den 128 km lange Moskvakanalen begynner i byens vestra del og binder sammen Moskvaelven med elven Volga. Det går 49 broer over Moskvas elver og kanaler.