Климат Москвы — умеренно континентальный, с чётко выраженной сезонностью. Согласно климатическому районированию России, Москва находится в атлантико-континентальной европейской (лесной) области умеренного климатического пояса. Зима (период со среднесуточной температурой ниже 0 °C) в среднем длится около 4 месяцев, со второй декады ноября (12 ноября) до второй декады марта (19 марта). Дневная температура устойчиво возвращается к положительным значениям 3 марта. В период календарной зимы могут отмечаться непродолжительные (3—5 дней) периоды сильных морозов (с ночной температурой до −20 °C, редко до −25..−30 °C). При этом в декабре и начале января часты оттепели, когда температура с −5..−10 °C поднимается до 0 °C и выше, иногда достигая значений в +5..+9 °C. По данным метеостанции ВДНХ (за период 1991—2020 годов), самым холодным месяцем года является январь (его средняя температура составляет −6,2 °C). Весенние сезоны по продолжительности варьируются год от года и могут составлять от 1 до 3 месяцев. Иногда практически летние температуры регистрируются в начале апреля, в то же время в конце мая — начале июня случаются возвраты холодов. Лето (период с дневной температурой выше +20 °C и среднесуточной выше +15 °C) длится около 3,5 месяцев, с третьей декады мая (23 мая) до конца августа (31 августа), дневная температура нередко достигает 30-градусной отметки (в среднем 6—8 дней за сезон, в 2010 году — непрерывно 1,5 месяца). 35-градусная отметка за последние 30 лет достигалась 18 раз, из них 16 — в 2010 году. Самым тёплым месяцем является июль (его средняя температура за период 1991—2020 годов составляет +19,7 °C). Осень в Москве затяжная, наступает с началом сентября, заканчивается в середине ноября — начале декабря, когда среднесуточная температура становится устойчиво ниже 0 °C. Нередко температура после начала метеорологической зимы возвращается к положительным значениям, полностью сходит снежный покров.

Среднегодовая температура в городе по наблюдениям 1991—2020 годов составляет +6,3 °C. Самыми тёплыми за всю историю метеонаблюдений в Москве стали 2020 и 2024 годы со среднегодовой температурой +8,0 °C, средний суточный максимум: +11,5 °C (при этом впервые в истории метеонаблюдений среднемесячная положительная температура зафиксирована в январе). Ранее самым тёплым был 2019 год — тогда средняя температура составила +7,8 °C, и при этом средние положительные температуры по месяцам зафиксированы в том числе и в марте, ноябре и декабре. Самым холодным в Москве остаётся 1862 год (+1,2 °C). По наблюдениям 1961—1990 годов, среднегодовая температура составляла +5,0 °C. Среднегодовая скорость ветра — 2,3 м/с. Среднегодовая влажность воздуха — 77 %, в декабре достигает 85 %, в мае опускается до 64 %.

Самая высокая температура воздуха за 130-летний период наблюдений была отмечена 29 июля 2010 года и составила +38,2 °C на метеостанции ВДНХ, +39,0 °C на метеостанции «Балчуг» в центре города и в аэропорту Домодедово в период аномальной жары. Самая низкая температура была зарегистрирована 17 января 1940 года и составила −42,2 °C (метеостанция ТСХА), на опорной метеостанции Москвы — ВДНХ — абсолютный минимум составляет −38,1 °C (январь 1956 года).

За год в Москве и прилегающей к ней территории выпадает 600—800 мм атмосферных осадков, из них большая часть приходится на летний период. Уровень осадков изменяется в достаточно большом диапазоне, и возможно как их большое количество (например, в июле 2008 года — 180 мм осадков), так и малое (например: в июле 2010 года выпало всего 13 мм осадков). Продолжительность светового дня колеблется от 7 часов 00 минут 21 декабря до 17 часов 34 минут 21 июня. Максимальная высота солнца над горизонтом — от 11° 21 декабря до 58° 21 июня.

Всемирная метеорологическая организация приняла решение о необходимости расчёта двух климатических норм: климатологической стандартной и опорной. Климатологическая стандартная норма обновляется каждые десять лет, опорная норма охватывает период с 1961 года по 1990 год.