Kyoto nằm trong một thung lũng, một phần của lưu vực Yamashiro (hay Kyoto), ở phía đông của khu vực miền núi được gọi là vùng cao nguyên Tamba. Lưu vực Yamashiro bao quanh ba mặt bởi các núi là Higashiyama, Kitayama và Nishiyama với độ cao chỉ hơn 1000 mét trên mực nước biển. Các ngọn núi này đã mang đến mùa Hè nóng và mùa Đông lạnh. Có ba con sông trong lưu vực: Ujigawa ở phía nam, Katsuragawa ở phía tây và Kamogawa ở phía đông. Thành phố Kyoto chiếm 17,9% đất đai trong tỉnh với diện tích 827,9 km².

Thành phố ban đầu được bố trí theo phong thủy truyền thống của Trung Quốc theo mô hình của thủ đô Trường An cổ đại của Trung Quốc. Cung điện hoàng gia nhìn về phía Nam, do đó Ukyō (phần bên phải của kinh đô) nằm ở phía Tây trong lúc Sakyō (phần bên trái) nằm ở phía Đông. Các phố ở các phường ngày nay Nakagyō, Shimogyō và Kamigyō vẫn theo kiểu bố trí này.

Ngày nay, quận kinh doanh chính nằm ở phía Nam của Cung điện hoàng gia cổ, với khu vực phía Bắc thưa dân hơn và vẫn còn nhiều mảng xanh. Các khu vực xung quanh không tuân theo kiểu bố trí như trung tâm thành phố. Kyoto được bao bọc ba bên xung quanh bởi các núi Higashiyama, Kitayama và Nishiyama, với độ cao chỉ khoảng 1000 m dưới mực nước biển.

Kyoto nằm trên những giếng nước ngọt lớn. Do quá trình đô thị hóa quy mô lớn, lượng mưa chảy vào tầng nước ngầm đang cạn dần và các giếng trên toàn khu vực đang khô với tốc độ ngày càng tăng.