öngörülen doğu-batı doğrultusundaki genişlemesi kuzeye kaymış; bu nedenle orman arazileri yeni yerleşim bölgeleri oluşturmak adına tahrip olmuştur. Yapılması planlanan üçüncü boğaz köprüsü çevreci gruplar tarafından şehirdeki orman varlığına zarar vereceği gerekçesiyle eleştirilmektedir.

Kent büyüdükçe merkezden gitgide uzaklaşan ormanlardan geriye bugün kent koruları kalmıştır. Etrafı çevirilmek suretiyle koruma altına alınan bu yeşil alanların pek çoğu günümüzde kamuya ait olup halka açık rekreasyon alanı olarak hizmet vermektedir. Özellikle Boğaziçi sırtlarında yoğunlaşan kent koruları İstanbulluların en uğrak mekânlarındandır. Avrupa Yakası'nda Yıldız, Naile Sultan, Naciye Sultan, Prens Sabahattin, Emirgân ve Ayazağa koruları; Anadolu Yakası'nda Beykoz, Mihrabad, Küçükçamlıca ve Validebağ koruları İstanbul'da en bilinen korulardır.

İstanbul'a, yakın yerde bulunan Kuzey Anadolu Fay Hattı, Kuzey Anadolu'dan başlayarak Marmara Denizi'ne kadar uzanır. İki tektonik plaka olan Avrasya ve Afrika birbirlerini iterler ve buda fayın hareket etmesine sebep olur. Bu fay hattı nedeniyle bölgede tarih boyunca çok şiddetli depremler meydana gelmiştir. 1509 yılında meydana gelen Büyük İstanbul Depremi bunun en büyük örneğidir. Bu deprem İstanbul'da, 100 caminin yıkılmasına ve 10 bin insanın hayatını kaybetmesine neden olmuştur. 1766 yılındaki depremde ise, Topkapı Sarayı, Ayasofya, Eyüp Sultan Camii ve Kapalıçarşı gibi yapılar büyük hasar aldı. 1999 Gölcük depreminde de 18 bin insan ölmüş ve birçok insanda evsiz kalmıştır. Sismolojistler, 2025 yılından önce 7 büyüklüğünde bir depreminde olabileceğini belirtmektedirler.

İstanbul'un iklimi, Türkiye'de Karadeniz iklimi ile Akdeniz iklimi arasında geçiş özelliği gösteren bir iklimdir, dolayısıyla İstanbul'un iklimi ılımandır.

İstanbul'un yazları sıcak ve nemli; kışları soğuk, yağışlı ve bazen karlıdır. Nem yüzünden, hava sıcak olduğundan daha sıcak; soğuk olduğundan daha soğuk hissedilebilir. Kış aylarındaki ortalama sıcaklık 2 °C ile 9 °C civarındadır ve genelde yağmur ve karla karışık yağmur görülür. Kar da yağar. Kış aylarında bir iki hafta kar yağabilir. Yaz aylarındaki ortalama sıcaklık 18 °C ile 28 °C civarındadır ve genelde yağmur ve sel görülür.

En sıcak aylar Temmuz ve Ağustos aylarıdır ve ortalama sıcaklık 23 °C dir, en soğuk aylar da Ocak ve Şubat aylarıdır ve ortalama sıcaklık 5 °C'dir. İstanbul'da yılın ortalama sıcaklığı 13,7 derecedir. 
Toplam yıllık yağış 843,9 mm'dir ve tüm yıl boyunca görülür. Yağışların %38'i kış %18'i ilkbahar, %13'ü yaz, %31'i sonbahar mevsimindedir. Yaz en kuru mevsimdir, ama Akdeniz iklimlerinin aksine kurak mevsim yoktur. İstanbul 1994 yılına kadar susuzluk çekmiştir fakat alınan önlemlerle herhangi bir su sıkıntısı kalmamıştır. Bunlardan biri Melen projesidir.

Şu ana kadar en yüksek hava sıcaklığı; 12 Temmuz 2000'de 40.5 °C olarak kaydedilmiştir. En düşük hava sıcaklığı ise; 9 Şubat 1929'da -16.1 °C olarak kaydedilmiştir.

Şehir oldukça rüzgârlıdır; rüzgârın ortalama hızı saatte 17 km dir.

İstanbul'un yüksek nüfusu ve ileri sanayi sektörü çevresel konularda pek çok sıkıntıyı da beraberinde getirmektedir. Hava, su ve toprak kirliliği gibi ana sorunların yanı sıra, çarpık kentleşme ve denetimsizlikten kaynaklanan görüntü ve gürültü kirliği gibi ikincil sorunlar da göze çarpmaktadır. İl genelinde bu sorunlarla birlikte hafriyat, atık yağ, kömür, kimyevî madde ve tıbbî atık denetimleri de İstanbul Büyükşehir Belediyesi'ne bağlı Çevre Koruma Müdürlüğü tarafından yürütülmektedir.

İstanbul'da bugüne dek birkaç çevre faciası yaşanmıştır. 1966, 1979, 1982, 1994, 1999 ve 2004 yıllarında İstanbul Boğazı'nda gelen tanker kazalarında on binlerce ton akaryakıt Boğaz sularına karışmıştır. 1979 yılından bu yana İstanbul Boğazı'nda kaza ya da arıza sonucu sulara gömülen 28 geminin 11'i akaryakıt taşıyan tankerlerdir. Deniz tabanındaki bu batıkların kimilerinden hâlâ akaryakıt sızması olduğu ve bunların Boğaz suyuna karıştığı sanılmaktadır. İstanbul Teknik Üniversitesi Çevre Mühendisliği Bölümü'nün yaptığı araştırmaya göre Boğaz'da insan sağlığı açısından denize girmeye elverişli nokta bulunmazken, Marmara Denizi ve Karadeniz kıyılarında halka açık plajlar bulunmaktadır.

Cumhuriyet döneminin ilk elli yılında hızla fabrikalarla dolan Haliç kıyılarıysa yakın geçmişte büyük çabalarla temizlenmiş kent içine yaydığı kötü kokudan kurtarılmıştır. İstanbul'da hava kirliliği ise doğalgazın il genelinde yaygınlaştırılmasıyla büyük ölçüde azalma göstermekle birlikte hâlen büyük bir sorundur. İstanbul'da doğalgaz abonesi sayısı 2008 yılında 3.5 milyona yaklaşırken; bunun sonucu olarak 1997 yılında 88 mcg/m olan kükürdioksit miktarı, 2007-2008 yıllarında 13-14mcg/ma kadar düşmüştür. 2004 yılı verilerine göre çevreyi deniz, gürültü ve hava kategorilerinde, Türkiye'de çevreyi en fazla kirleten il İstanbul'dur.

İstanbul, iklimsel ve coğrafi bakımından sahip olduğu özel konum sayesinde zengin bir doğal yaşam geliştirmiştir. İstanbul genelinde 2.500 bitki türü yaşadığı saptanmıştır. Bu sayı Türkiye genelinde rastlanan türlerin 1/4'ine denk gelmektedir. İstanbul'daki bitki türlerinin 200 kadarı çiçekli bitkiler sınıfına dâhil olup bunlardan yaklaşık 40'ı endemik türlerdir. İstanbul'un endemik bitki türleri doğal alanların kentleşmesi, ormansızlaştırma, yanlış ağaçlandırma, hava-su-toprak kirliliği, bilinçsizlik ve yasadışı alım-satım gibi nedenlerle büyük tehlike altındadır. İstanbul'da yetişen 270 bitki türü ise Türkiye'nin "Tehlike Altındaki Nadir ve Endemik Bitkiler Listesi" bünyesinde koruma altına alınmıştır. İstanbul'un tehlike altında olan ender endemik bitkileri arasında İstanbul çiğdemi, "(Crocus olivieri)" İstanbul kardeleni, "(Galanthus plicatus)" Çatalca peygamber çiçeği,"(Centaurea hermannii)" Kilyos peygamber çiçeği,"(Centaurea kilaea)" Pendik sarıotu "(Buplerum pendikum)" ve Boğaziçi keteni "(Linum tauricum)" sayılabilir. İstanbul'un ağaç ve çalı türleri arasında en yaygın görülenlerse adi gürgen, adi kızılağaç, adi fındık, doğu kayını, mor çiçekli ormangülü, akçaağaç, muşmula ve Istranca meşesidir.

Çok zengin bir bitki topluluğuna sahip olan İstanbul yöresinde şimşir, meşe, çınar, kayın, gürgen, akçaağaç, kestane, çam, ladin ve servi gibi 2500 kadar bitki türü yetişir. Bu bitkilerden bir kısımı bu yöreye endemiktir. Genellikle ormanları oluşturan ağaçlar, İstanbul'un kuzeydoğusu, Alemdağ'ın kuzeyi ve Polenezköy çevresinde görülen kayın, kestane ve saplı meşedir. Bitki örtüsüne iklimin etkisinin yanında toprağında etkisi vardır. Kayın ağaç topluluğun bulunduğu alanları kireçsiz kahverengi orman toprakları kaplarken, meşe ve kestane topluluğunda bu topraklar kireçsizdir. Yaklaşık 2500 civarında doğal bitki türüne sahip olan İstanbul, bu özelliği ile İngiltere gibi Avrupa ülkelerini tek başına geride bırakabilir durumdadır. Bu aynı zamanda Türkiye'de doğal olarak yetişen on binden fazla bitkinin, yaklaşık 1/4’ünü İstanbul’da barınması demektir; ve bu bitkilerden bazıları endemiktir, yani tüm dünya üzerinde sadece İstanbul’da yaşamaktadır. İstanbul çiğdemi "(Crocus olivieri subsp. istanbulensis)" bu endemik bitkilere örnektir.

İstanbul, sahip olduğu yeşil alanlar ve su havzaları nedeniyle önemli bir yaban hayvan nüfusu barındırmaktadır. Karadeniz ve Ege gibi iki zengin ekosistemi birbirine bağlayan İstanbul Boğazı, göçücü pelajik balıklar için en önemli rotalardan biridir. 70'li yıllara değin İstanbul'u çevreleyen denizlerde 76'ın üzerinde balık türüne rastlanırken, bugün bu sayı 20'li sayılara kadar gerilemiştir. Yakın tarihli kayıtlara bakıldığında İstanbul'da Boğaz, Adalar ve Anadolu Yakası kıyılarında foklara sıkça rastlandığı görülmektedir. Ancak bugün bu canlılar İstanbul direyinden bütünüyle silinmiş durumdadır. İstanbul açıklarında ve bazen Boğaz'da rastlanan tek deniz memelisi yunuslardır.

Kuşlar için de önemli bir göç rotası üzerinde bulunan İstanbul'da, Büyükçekmece ve Küçükçekmece gölleri, çevreleri büyük oranda kentleşmiş olamasına karşın, hâlen kuşlar için önemli birer durak konumundadır. İstanbul'a uğrayan göçücü kuşlar arasında, leylek, alaca balıkçıl, ak pelikan, aynak, boz kaz, atmaca, delice doğan ve Mısır akbabası sayılabilir. İstanbul'un yerli kuşları içinde en yaygın olanlarsa güvercinler, martılar, kargalar, serçeler ve kanaryalardır.

Bunun dışında İstanbul'un özellikle ormanlık kesimlerinde pek çok memeli türü de yaşar. Bunlar arasında yırtıcılara da rastlanır. Başlıca yırtıcılar: çakal, tilki, sansar, gelincik gibi etoburlardır. Diğer yabani hayvan türleri arasında porsuk, ağaç sansarı, kokarca, bayağı yaban domuzu, kirpi, kızıl sincap ve tavşan sayılabilir. Özellikle Ada tavşanı İstanbul'a özgü yabani hayvanlardandır. Belgrad Ormanı ve Çatalca'daki merkezlerdeyse geyik ve karacalar için koruma alanları oluşturulmuştur. Ayrıca kent içinde yaygın olarak başıboş sokak kedileri ve köpekleriyle karşılaşılabilir.

İstanbul'da, kızıl geyik, karaca, alageyik, bayağı yaban domuzu, yaban kedisi, çakal ve tilki gibi bulunan memeli hayvanlar bulunabilir. Bununla beraber önemli bir kuş göç yolu üzerinde yer alan İstanbul'da her ilkbahar ve sonbaharda leylek, kartal, şahin ve atmaca gibi çeşitli kuş türleri gözlemlenebilir. İstanbul'da en yaygın bulunan kuşlar ise serçe, güvercin, kumru, karga ve artık kentin bir simgesi hâline gelen martıdır.

İstanbul'da su kaynaklarının, şehirlerin kurulu olduğu kıyı kesimlerine uzaklığı, tarih boyunca yönetimler için sıkıntı olmuştur. İstanbul'da özellikle Avrupa Yakası'nda kurulan ilk kent olan Byzantion'da da, su kaynaklarının kente uzaklığı büyük sorundu. Bu nedenle kente içilebilir su sağlamak için çeşitli yollara başvurulurdu. Kentin suyu Osmanlı döneminde de başka kaynak bulunmadığı için dışarıdan getirilirdi. İstanbul kent merkezinde ve dışında sıkça karşılaşılan sarnıç ve su kemerleri kentin o dönemdeki su kültürünün en önemli göstergeleridir. Osmanlı döneminde bent adı verilen küçük barajlarla tatlı su göletleri oluşturulurken, günümüzde gelişen teknolojinin yardımıyla il genelinde büy