София е разположена непосредствено до северния склон на Витоша, в ограденото с планини Софийско поле (Стара планина, Витоша, Люлин, Лозенска планина). Пет планински прохода водят към града — Искърски, Владайски, Драгомански, Петрохански и Ботевградски. През тях още в древността минават важни пътища, свързващи Адриатика и Средна Европа с Черно и Егейско море, и Близкия Изток. Благодарение на стратегическото местоположение на Балканския полуостров, София и в миналото е била голям, оживен град, както и търговски, туристически и културен център. През нея протичат няколко маловодни реки, най-големи от които са Владайска и Перловска. Край източните квартали тече река Искър, но в този си участък тя не е пълноводна. София е известна от древността с многобройните си минерални и термални извори (15 находища с общ дебит на водите 130 л/сек.). През последните 60 години са построени и изкуствени езера и язовири.​

Отстои на 150 км от Пловдив, на 445 км от Варна и на 390 км от Бургас по автомобилни пътища.