Kyoto terletak di sebuah lembah di Lembangan Yamashiro (atau Kyoto), di bahagian timur kawasan pergunungan yang dikenali sebagai tanah tinggi Tamba. Lembangan Yamashiro dikelilingi di tiga sisi oleh gunung-gunung Higashiyama, Kitayama dan Nishiyama, pada ketinggian 1,000 meter (3,281 kaki) atas paras laut min. Kedudukan pedalaman ini mengalami musim panas yang panas dan musim sejuk yang sejuk. Dalam lembangan ini ada tiga batang sungai, iaitu Sungai Uji di selatan, Sungai Katsura di barat, dan Sungai Kamo di timur. Bandaraya Kyoto meliputi 1.9% tanah wilayahnya dengan keluasan 827.9 kilometer persegi (319.7 bt2).

Kota asalnya disusun mengikut ilmu geomansi Cina tradisional yang mencontohi ibu kota lama negara China, Chang'an (kini Xi'an). Istana Diraja menghadap ke arah selatan, maka Ukyō (sektor kanan ibu kota) berada di barar manakala Sakyō (sektor kiri) terletak di timur. Jalan-jalan di wad-wad Nakagyō, Shimogyō, dan Kamigyō masa kini masih mengikut pola grid.

Kini, daerah pusat perdagangannya terletak di selatan Istana Diraja lama, dengan kawasan utara yang kurang penduduknya mengekalkan suasana yang serba kehijauan. Kawasan-kawasan sekelilingnya tidak mengikuti pola grid yang sama seperti pusat bandaraya, namun semua jalan-jalan di Kyoto diberikan nama.

Kyoto terletak di atas sebidang muka air tanah semula jadi yang membekalkan air tawar kepada seluruh kota melalui perigi. Kesan pembandaran besar-besaran, jumlah hujan yang menyalir ke dalam muka air tanah ini semakin berkurangan dan perigi-perigi di seluruh kawasan semakin cepat mengering.