Đặc khu Columbia có tổng diện tích là 68,3 dặm vuông (177 km²), trong đó diện tích mặt đất chiếm 61,4 dặm vuông (169 km²) và phần còn lại, 6,9 dặm vuông (18 km²) hay 10,16% là mặt nước.[36] Do phần phía nam lãnh thổ đã được trao trả lại cho Thịnh vượng chung Virginia vào năm 1846, Washington, D.C. ngày nay không còn diện tích 100 dặm vuông (260 km²) như ban đầu. Vùng đất còn lại hiện tại của đặc khu chỉ là khu vực được tiểu bang Maryland nhượng lại. Vì thế Washington bị bao quanh bởi các tiểu bang Maryland ở phía đông nam, đông bắc, tây bắc và Virginia ở phía tây nam. Washington, D.C. có ba dòng chảy thiên nhiên chính là: sông Potomac, sông Anacostia và lạch Rock. Sông Anacostia và lạch Rock là các nhánh của sông Potomac.[37] Lạch Tiber, một dòng chảy trước kia đi ngang qua Khu dạo chơi Quốc gia (National Mall), đã hoàn toàn bị san lấp trong thập niên 1870.[38]

Washington không được xây trên những vùng đất lấn đầm lầy.[39] Trong lúc vùng đất ngập nước bao phủ những khu vực dọc theo hai con sông và các suối thiên nhiên khác, phần lớn lãnh thổ của đặc khu bao gồm đất nông nghiệp và những ngọn đồi có cây.[40] Địa điểm tự nhiên cao nhất của Đặc khu Columbia nằm tại Tenleytown, cao 409 ft (125 mét) so với mực nước biển.[41] Điểm thấp nhất là mặt biển tại sông Potomac. Trung tâm địa lý của Washington nằm gần ngã tư Đường số 4 và Đường L Tây-Bắc (tên đường phố ở Hoa Kỳ thường gồm có tên khu định hướng như Đông Nam, Tây Nam, Đông Bắc, Tây Bắc).[42]

Khoảng 19,4% diện tích Washington, D.C. được dành cho công viên, đồng hạng với New York về tỉ lệ đất công viên cao nhất trong số các thành phố Hoa Kỳ có mật độ dân cư cao.[43] Cục Công viên Quốc gia Hoa Kỳ quản lý phần lớn những môi trường sống thiên nhiên tại Washington, D.C., gồm có Công viên Rock Creek, Công viên Lịch sử Quốc gia Kênh Chesapeake và Ohio, Khu dạo chơi Quốc gia, Đảo Theodore Roosevelt, và Công viên Anacostia.[44] Khu vực môi trường sống thiên nhiên nổi bật duy nhất không do Cục Công viên Quốc gia Hoa Kỳ quản lý là Vườn Thực vật Quốc gia Hoa Kỳ (United States National Arboretum), do Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ điều hành.[45] Thác Lớn của sông Potomac nằm trên phía thượng nguồn (tức phía tây bắc) Washington. Trong thế kỷ XIX, Kênh Chesapeake và Ohio bắt đầu từ Georgetown được dùng để cho phép các xà lan đi qua con thác.[46]

Khí hậu

Washington có khí hậu ôn đới hải dương, ẩm ướt (Phân loại khí hậu Köppen: Cfa), đây là khí hậu đặc trưng của khu vực các tiểu bang giữa duyên hải Đại Tây Dương (Mid-Atlantic states), có bốn mùa rõ rệt.[47] Đặc khu nằm trong vùng chịu đựng nhiệt độ (Hardiness zone) cấp 8a gần trung tâm thành phố, và vùng chịu đựng nhiệt độ cấp 7b ở những nơi khác trong thành phố. Điều này chứng tỏ Washington, D.C. có một khí hậu ôn hòa.[48] Mùa xuân và mùa thu khí hậu dịu, ít ẩm ướt trong khi mùa đông mang đến nhiệt độ khá lạnh và lượng tuyết rơi trung bình hàng năm là 16,6 inch (420 mm).[49] Nhiệt độ thấp trung bình vào mùa đông là quanh 30 °F (-1 °C) từ giữa tháng 12 đến giữa tháng 2. Những cơn bão tuyết gây ảnh hưởng cho Washington trung bình xảy ra cứ mỗi bốn đến sáu năm một lần. Những cơn bão mạnh nhất được gọi là "nor'easter" (bão đông bắc) thường có đặc điểm là gió mạnh, mưa nhiều và đôi khi có tuyết. Những cơn bão này thường ảnh hưởng đến phần lớn vùng ven biển Đông Hoa Kỳ.[49]

Mùa hè có chiều hướng nóng và ẩm, nhiệt độ trung bình hàng ngày trong tháng 7 và tháng 8 vào khoảng 80-89 °F (khoảng 26,7-31,7 °C).[50] Sự kết hợp giữa nóng và ẩm trong mùa hè mang đến những cơn bão kèm sấm chớp rất thường xuyên. Một số cơn bão lớn đôi khi tạo ra lốc xoáy trong khu vực. Trong khi đó các cơn bão nhiệt đới (hurricane), hay tàn dư của nó, đôi khi hoành hành trong khu vực vào cuối hè và đầu thu. Thường thì chúng bị yếu dần khi đến Washington, một phần vì vị trí của thành phố nằm bên trong đất liền. Tuy nhiên lụt lội trên sông Potomac do sự kết hợp của thủy triều cao, sóng biển dâng lên cao lúc có bão được biết đến là đã nhiều lần gây thiệt hại tài sản nặng nề tại Georgetown.[51]

Nhiệt độ cao nhất kỷ lục tại Washington, D.C. là 106 °F (41 °C) được ghi nhận vào ngày 20 tháng 7 năm 1930 và ngày 6 tháng 8 năm 1918, trong khi nhiệt độ thấp nhất kỷ lục là −15 °F (−26.1 °C) được ghi nhận vào trong trận bão tuyết ngày 11 tháng 2 năm 1899. Trung bình, mỗi năm thành phố có 36,7 ngày nóng trên 90 °F (32 °C), và 64,4 đêm dưới độ đóng băng.[49][50]