กรุงโตเกียวตั้งอยู่ในที่ราบคันโตติดกับอ่าวโตเกียว มีขนาดประมาณ 90 กม. จากตะวันออกถึงตะวันตก และ 25 กม. จากเหนือถึงใต้ ทิศตะวันออกติดกับจังหวัดชิบะ ทิศตะวันตกติดกับจังหวัดยามานาชิ ทิศใต้ติดกับจังหวัดคานางาวะ และทิศเหนือติดกับจังหวัดไซตามะ เขตการปกครองของโตเกียวนั้นรวมไปถึงหมู่เกาะอิซุและหมู่เกาะโองาซาวาระด้วย จึงทำให้โตเกียวมีจุดที่อยู่ใต้สุดและตะวันออกสุดของญี่ปุ่นอยู่ในพื้นที่ด้วย

ทางตะวันออกของโตเกียวเป็นที่ราบตะกอนน้ำพาเช่นบริเวณปากแม่น้ำซูมิดะและแม่น้ำเอโดะ พื้นดินค่อนข้างอ่อนจึงทำให้เกิดการทรุดตัวของพื้นดิน[12] อ่าวโตเกียวถูกถมที่เพื่อสร้างพื้นที่ใช้สอยตั้งแต่ยุคเอโดะ[13] และเริ่มมีการถมที่เพื่อสร้างสถานที่กำจัดขยะตั้งแต่ปี 1927[14] ปัจจุบันพื้นที่ประมาณร้อยละ 20 ของอ่าวโตเกียวกลายเป็นพื้นที่ถูกถม[15] ในแขวงนิชิตามะทางตะวันตกเป็นที่สูง โดยมีเขาคูโมโตริซึ่งมีความสูง 2,017 ม. เป็นจุดที่สูงที่สุดในโตเกียว โตเกียวตั้งอยู่บนรอยเลื่อนที่มีพลังซึ่งอยู่ใกล้ผิวโลกมาก จึงมีการคาดการณ์ว่าอาจจะเกิดแผ่นดินไหวรุนแรงขึ้น[16]

ทั้งหมู่เกาะอิซุและโองาซาวาระเป็นหมู่เกาะภูเขาไฟ หมู่เกาะอิซุมีภูเขาไฟที่ยังมีพลังอยู่จำนวนมาก เช่นภูเขาไฟโอยามะบนเกาะมิยาเกะที่ระเบิดในปี 2000[17] ส่วนหมู่เกาะโองาซาวาระนั้นอยู่ห่างจากแผ่นดินใหญ่มากและมีสัตว์ท้องถิ่นหลายชนิด จนบางครั้งถูกเรียกว่าหมู่เกาะกาลาปาโกสแห่งตะวันออก[18]

ตามการแบ่งเขตภูมิอากาศแบบเคิปเปน โตเกียวอยู่ในเขตภูมิอากาศชุ่มชื้นกึ่งเขตร้อน (Cfa)[19] และตามการแบ่งเขตภูมิอากาศในประเทศญี่ปุ่น โตเกียวอยู่ในเขตภูมิอากาศชายฝั่งมหาสมุทรแปซิฟิก ซึ่งมีลักษณะเด่นคือมีความแตกต่างระหว่างฤดูชัดเจน อากาศเปลี่ยนแปลงง่ายในแต่ละวัน ฤดูร้อนมีอุณหภูมิสูงและฝนตกมาก ฤดูหนาวมีวันที่แดดออกและอากาศแห้ง

โตเกียวเป็นตัวอย่างของปรากฏการณ์เกาะความร้อน ซึ่งเป็นผลจากการปล่อยความร้อนโดยวิธีต่าง ๆ เช่นไอร้อนจากเครื่องปรับอากาศหรือรถยนต์ และการพัฒนาตัวเมืองทำให้มีพื้นที่สีเขียวน้อยลง[20]