Bandar Raya Mexico terletak di atas Lembah Mexico (atau Lembangan Mexico). Lembah tersebut terletak di Jaluran Gunung Berapi Trans-Mexico yang terletak di kawasan penara tinggi bahagian selatan tengah Mexico.[36][37] Altitud minimumnya adalah 2,200 meter (7,217 kaki) di atas paras laut dan dikelilingi oleh gunung-ganang biasa mahupun berapi yang mencecah ketinggian 5,000 meter.[38] Lembah ini tiada saluran penyaliran semula jadi untuk menyalurkan air sungai yang mengalir dari tepi gunung, maka bandaraya ini terdedah kepada kejadian banjir, sehingga terbinanya terusan dan terowong sebagai saluran buatan manusia sejak abad ke-17.[36][38]Bandaraya ini bertapak di atas bekas Tasik Texcoco.[36] Aktiviti seismik kerap berlaku di sini.[39] Tasik tersebut disalirkan hingga kering kontang sejak abad ke-17, maka bandaraya ini bertapak di atas tanah liat yang amat lencun. Tapak lencun ini semakin runtuh kerana air bawah tanah digali secaea berlebihan sejak awal abad ke-20, terutamanya sesetengah kawasan bandaraya yang tanahnya sudah terbenam sedalam sembilan meter. Kejadian bumi terbenam ini menimbulkan masalah bagi pengurusan air buangan kerana boleh menyebabkan banjir, terutamanya ketika musim tengkujuh.[38][39] Seluruh dasar sungai diturap dan kawasan hutan di bandaraya ini hanya tinggal di daerah selatan Milpa Alta, Tlalpan dan Xochimilco.[39]

Iklim

Bandar Raya Mexico beriklim tanah tinggi subtropika (Pengelasan iklim Köppen Cwb), kerana lokasinya di kawasan tropika serta ketinggiannya. Kawasan rendah lembah ini kurang menerima curahan hujan berbanding kawasan tinggi di selatan; daerah rendah Iztapalapa, Iztacalco, Venustiano Carranza dan bahagian barat Gustavo A. Madero lazimnya lebih kering dan panas berbanding daerah tinggi selatan, Tlalpan dan Milpa Alta, yang terletak di kawasan pergunungan berpokok pain dan ok yang dikenali sebagai banjaran Ajusco.

Purata suhu tahunan berubah-ubah antara 12 hingga 16 °C (54 hingga 61 °F), bergantung pada altitud daerahnya. Suhu terendah yang biasanya dicatatkan pada bulan Januari dan Februari, mungkin mencecah −2 hingga −5 °C (28 hingga 23 °F), dan diiringi curahan salji di kawasan selatan Ajusco, manakala suhu maksimum pada akhir musim bunga dan musim panas boleh mencapai 32 °C (90 °F). Kerpasan di bandaraya ini paling tinggi pada musim panas, sehingga boleh turun hujan batu yang tebal. Lembah tengah Mexico jarang menerima salji pada musim sejuk; kali terakhir tercatatnya curahan salji adalah pada 5 Mac 1940 dan 12 Januari 1967.

Kawasan Lembah Mexico menerima sistem antisiklon yang angin lemahnya tidak membolehkan penyerakan bahan pencemar udara ke luar lembangan dari 50,000 industri dan empat juta kenderaan yang beroperasi di dalam atau sekitar kota raya.[40]

Kawasan ini menerima curahan hujan sebanyak 820 milimeter (32.3 in) setiap tahun yang tertumpu pada tempoh Jun hingga September/Oktober manakala bulan-bulan lain ketandusan kerpasan.[38] Kawasan ini mengalami dua musim utama, iaitu musim tengkujuh mulai bulan Jun hingga Oktober apabila angin meniupkan kelembapan tropika dari laut; dan musim kemarau mulai November hingga Mei, apabila udaranya lebih kering. Musim kemarau ini terbahagi lagi kepada kala dingin dari November hingga Februari, apabila tolakan jisim udara kutub dari utara memastikan udara kering; dan kala hangat dari Mac hingga Mei, apabila udara sekali lagi dikuasai angin tropika tetapi tidak cukup kelembapan untuk mencurahkan hujan.[41]