台北盆地位于台湾岛北部，北以大屯山火山群为界，东部和南部被雪山山脉的余脉形成的丘陵所环绕，西有基隆竹南丘陵的观音山、林口台地等围绕，盆地形状完整。盆地周边长约70公里，面积约240平方公里。地势低平，除山麓与河边外，东南稍高，西北稍低。盆地周边多断层，平均坡度14－16度，最大达32度。对外有6条通道：东沿基隆河有铁路、公路通往基隆；西北沿淡水河有铁路、公路至出海口；南沿新店溪有公路通往宜兰；西南有三条通道通往桃园平原，其中，莺歌附近至桃园平原的通道，最窄处仅3公里左右，为重要门户。台北市位于盆地中央，还有台北县6座县辖市位居其内，人口最为稠密。淡水河下游地势低洼，高程仅5一10米，常有水患。

轮廓鲜明的台北盆地，外形并不十分圆，倒有点像一个不等边的三角形，其三个顶点分别为北面的北投、东面的南港和西南面的树林镇。三点连线的距离是：北投至南港为15公里，南港至树林为20里，树林至北投为17公里。境内地势低平，从东南向西北缓缓地倾斜，海拔高程一般为5－10米。东南部景美镇附近地势较高，海拔约14米。若以环绕盆地边缘的海拔20米等高线为界，测得面积达243平方公里，是台湾岛上的第二大盆地。伸入盆地的山脉有正北面的剑潭山，海拔153米；东面有南港山，海拔375米；东南面有景美山，海拔144米。淡水河自南而北穿贯台北盆地，另有三峡溪、新店溪和基隆河先后汇入淡水河，西北经关渡缺口注入台湾海峡。18世纪末因淡水河与大陆通航，成为北部经济中心，其后淡水河淤浅，而基隆港兴，铁路贯通南北，地位更显重要，今盆地除有人口超过200万的台北市外，并有台北县6座县辖市，为全省人口最密集地区，土地利用亦趋都市化。台北盆地是一个构造盆地，由地层断裂陷落而成。盆地四周有许多断层线，如东南侧的台北断层、新店断层、大坪顶断层等，这些断层大都循东北东至西南西的走向，呈规律排列；在西侧，则有山脚与新庄断层，大致作南北走向；而大屯火山群东南侧的嵌脚断层，则作东北至西南走向。这许许多多的断层是台北盆地成因的“见证人”。台北盆地原为干涸的湖盆，由基隆河、新店溪、大汉溪冲击而成，盆地内地势低缓平坦。台北盆地在形成初期，曾有大量的积水，地史上称之为“台北湖”。后来，淡水河、新店溪与基隆河带来的大量泥沙不断充填，久而久之，使得台北湖逐渐淤浅，露出大片的土地。台北市就坐落在台北盆地中央的淡水河畔，面积为270平方公里，依山傍水，景色十分壮丽。流经台北市的淡水河及其支流基隆河和新店溪，分别从西、北、南三面围绕市区，西侧的淡水河上，还坐落着台北、忠孝、中兴、华江等 9座大桥，给这座美丽的城市又增添了几分雄伟。距今四五百年前，台北市这块地方，还是一片沼泽地带，丛林茅草，风雨斜阳，显得异常冷落，惟有原来在此居住的高山族平埔人、驾着独木舟往来其间，过着悠闲自在的渔猎生活。当时平埔人将这块地方泛泛地称之为“大加蚋”，意思是“平坦而浸水的土地”。清朝人郁永河在1694年曾冒险进入台北盆地，并在其《采硫日记》（即《裨海游记》）中，记述当时盆地的西北部有大片的水面和沼泽区。沿着淡水河、基隆河、新店溪以及众多的支流而上，在台北盆地的边缘，可以看到被河溪的水力切割出来的关渡、南港、景美，树林等四个天然缺口，它们成为台北市联系台北县的主要交通线的必经通道，这些自然通道使台北盆地与台北市周围的丘陵山地联系起来。

台北市的气候温暖湿润，属于亚热带海洋性气候。但市区位于盆地中央，四面环山，因而又具有某些大陆性气候的特征。另外，夏季气候受台风影响很大。