京都市的市区大部分地区都位于京都盆地之内，这也造就了京都市除南方之外三面环山的环境。京都盆地被急倾斜的山地所包围，是由断层活动所形成的构造性内陆盆地，其地下的地层现在仍然活动。也因此京都市内有花折断层等活断层存在。盆地内的地势则呈现北高南低，东高西低的特征。

京都盆地东部也因其地势较高且较为干燥适宜居住，成为京都市内最早开发的地区。京都市东南部的山科区和伏见区的醍醐地区则位于山科盆地，其和京都盆地之间由清水山、稻荷山等山峰隔开。京都市的北部地区则多为山地，其中较为知名的有大文字山、比叡山、岚山等。京都市内的最高点是皆子山，海拔971米。

京都市内主要的河川有桂川及鸭川等。鸭川位于京都市的东部，河道两岸广植樱花等树木。每逢夏季常有众多市民和游客在鸭川的河床滩上纳凉，成为京都独特的风景线。而桂川也流经岚山等著名景区。