Климат Москвы умеренно-континентальный: сильные морозы и палящий зной здесь редки, но вместе с тем погода относительно неустойчива. По данным метеостанции ВВЦ самым холодным месяцем года является январь (его средняя температура составляет −7,5 °C, при этом существует тренд на повышение температуры в зимний период[17]), во время волн холода температура может опускаться ниже −20 °C. Самым тёплым месяцем является июль (средняя температура +18,4 °C). В среднем за лето бывает 5—7 дней с температурой +30 °C и выше. Самая высокая температура воздуха за 130-летний ряд наблюдений отмечалась 29 июля 2010 года и составила +38,2 °C на метеостанции ВВЦ и +39,0 °C на метеостанции «Балчуг» в центре города в период волны аномальной жары, самая низкая температура зарегистрирована 17 января 1940 года и достигала −42,2 °C (метеостанция ТСХА). За год в Москве и прилегающей к ней территории выпадает 600—800 мм атмосферных осадков (в 2008 году — 869 мм[18]). Нередким явлением на территории Москвы являются туманы. Свои особенности имеет и воздушный режим Москвы: воздушные потоки как бы стекаются в центральную часть города, принося с собой атмосферные осадки или зной.

Среднегодовая температура — +5,4 °C (в 2007 и 2008 годах превышала +7 °C[19]). Среднегодовая скорость ветра — 2,3 м/с. Среднегодовая влажность воздуха — 76 %.

Среднегодовое количество часов солнечного сияния — 1731 час[20], (в 2007 году — более 2000 часов[21], при этом наблюдается тенденция к уменьшению числа солнечных часов зимой и к увеличению весной и летом. Так, среднее количество часов солнечного сияния в декабре — всего 18 часов (около 8 % от максимально возможного), в июне — июле же превышает 270 часов, что составляет 50—60 % от максимально возможного. Большинство абсолютных минимумов температуры в Москве по месяцам было зарегистрировано ещё в XIX — начале XX века, в то время как на начало нашего столетия приходится уже 6 абсолютных максимумов температуры, в том числе и рекорд по максимальной температуре за всю историю наблюдений[22].

29 июля 2010 года в Москве был установлен абсолютный температурный максимум который составил +38,2 °C. Данная температура побила рекорд 26 июля этого же года и оказалась максимальной за всю историю метеонаблюдений в Москве[23]. В последнее время в Москве стали нередки[источник не указан 111 дней] такие аномальные погодные явления как ураганы, сильные ливни и даже смерчи. Так, в ночь с 20 на 21 июня 1998 года на столицу обрушился один из самых разрушительных ураганов в истории, в результате которого 8 человек погибли и 157 были ранены, было нарушено освещение 193 улиц и отключено электроснабжение 905 домов, повреждено 2157 жилых строений.[24] 24 июля 2001 года в результате урагана и грозы в столице погибли шесть человек, более 50 получили травмы; в районе ВВЦ оказался затопленным ряд улиц. Несколько станций метро были частично затоплены и закрыты для пассажиров, в частности, станции метро «Бибирево» и «Алтуфьево». Ущерб составил более 1 миллиарда рублей