Le site de la ville primitive est le rebord d'un plateau qui domine la vallée d'un petit cours d'eau, le Manzanares (sous-affluent du Tage). La vallée s'est enfoncée au cours du quaternaire dans la masse des dépôts sédimentaires du tertiaire.

Cette position explique, en particulier, certaines caractéristiques du climat, influencé à la fois par sa latitude (40° de latitude nord), sa continentalité et son altitude. En hiver, les températures peuvent être inférieures à 9 °C. L'été est à la fois chaud et sec, avec une moyenne de 23,5 °C en août; chaque année, Madrid subit quelques périodes de canicule (jusqu'à 40 °C). Les pluies sont modérées (450 mm par an en moyenne), avec de forts écarts entre les années. L'ensoleillement est important: 2 500 heures de soleil par an. Malheureusement, les belles journées sont de plus en plus gâchées par la pollution.

L'approvisionnement en eau était assuré par le canal de Isabel II venant du río Lozoya; par la suite, il a fallu utiliser les eaux de plusieurs autres affluents du Tage, tel l'Alberche. Pour l'électricité, l'interconnexion du réseau permet de faire venir le courant de tout le pays. Le charbon a été presque partout remplacé par le gaz naturel venu de Barcelone par gazoduc, par le fioul et par l'essence que fournissent les raffineries de Puertollano et du littoral.