距今7000年前后，上海地区绝大部分被海水淹覆，仅西部局部出露，成为滨海湖沼低地。距今7000～3000年前，自今江苏常熟福山一带，以南、南东方向形成数条近于平行的密集贝壳沙带，延伸至今上海南部漕泾、柘林一带海边，向南延伸段没于杭州湾。吴淞江以北，自西向东有浅冈、沙冈、外冈、青冈、东冈5条贝壳沙带和沙带，吴淞江以南自西向东有沙冈、紫冈、竹冈、横泾冈4条贝壳沙带。各沙带延伸的位置，显示不同时期形成的海岸线。距今3000～1700年前，今浦东花木、北蔡、周浦、下沙、航头一线形成北、北西方向断续沙带，和今宝山盛桥、月浦沙带构成一条平行于西部冈身的古海岸线，冈身以东至下沙沙带间的中部地区已成陆。距今1700～1000年前，下沙沙带以东至今里护塘故址之间浦东中部、黄浦江以西地区已成陆。距今500年前后，浦东海岸线为呈南向分汊状的东、西沙带，西沙带北起白龙港，向南经军民至马厂；东沙带自白龙港向南经中港至泥城。吴及海塘至西沙带成陆于距今1000～600年前，西沙带以东滨海地区，为近600年发育形成的浦东。西部青浦、松江、金山湖沼平原地区，在吴淞江南北贝壳沙带形成时已基本成陆。近2000年，受地体下沉，东江淤废、吴淞江萎缩等影响，区内局部有较大水陆演变。崇明岛是中国第三大岛屿、最大的冲积沙岛，唐武德年间出露水面，五代杨吴时置崇明镇。长兴岛在清顺治元年（1644年）出水成沙洲。横沙岛出露于道光二十三年（1843年）。

境内除西南部有10余座基岩残丘外，均为平原。地面高程3～5米。陆域地势总趋势是由东向西低微倾斜。长兴和横沙两岛地势较低，高程约2米。海域有大金山、小金山、浮山、佘山等岩岛。大金山海拔高度105.03米，为上海海拔最高点。上海地区北、东、南三面滨江临海，西面又有以太湖为主的密集湖群分布，境内水网稠密。河网绝大部分属黄浦江水系，平原外围有长江口与杭州湾水体环绕。沿海水域包括河口、海湾、近海水域（通称长江口外水域）以及毗连的东海陆架部分水域，还包括南黄海部分陆架。江、海岸线长449.66公里，大陆岸线长172.31公里，岛屿岸线长227.35公里，沿海0～-20米等深线范围内水域面积7226平方公里。上海沿海是中国沿海海洋初级生产力最高的区域之一。长江有丰沛的水资源，大通水文站多年平均径流量29300秒立方米，有9600亿立方米淡水泄入河口。长江口自然河道天然最浅水深6米，航运条件良好。

地处长江三角洲前缘河口和杭州湾之间，地表以下为厚达300余米的沙砾、淤泥构成的疏松层，属冲积、海积、湖积第四系，距今约300万年。基岩地层组成有前震旦系、震旦系、寒武系、奥陶系、志留系（泥盆系、石炭系、二迭系、三迭系尚未发现）、侏罗系、白垩系、第三系、第四系。最古老地层距今约19亿年。基岩地表出露分布零星，为低山残丘，总面积2.5平方公里。大面积基岩处于地下300米深，有沉积岩、变质岩、侵入岩、火山岩，以火山岩为主，约占总基岩面积2/3。处在扬子准地台，相对稳定。上海矿产资源匮乏，地质勘查发现金山张堰铜矿、东海浅层天然气，以及天然建筑材料。

气候属亚热带季风气候，温和湿润。年均气温市区15.8℃，郊区15.2～15.7℃。7月最热，市区平均气温27.8℃；1月最冷，市区平均气温3.6℃。市区气温平均年较差24.2℃，日较差7.5℃。春季约75天，夏天94天，秋季63天，冬季133天。平均无霜期228天。活动积温4992℃日。降水丰沛，年平均降水量1149毫米，70%集中在4～9月。平均降雪日6.2天，积雪日2.8天。年均日照时数1930小时。全年平均总云量6.6成，低云量3.7成。内陆地区雾日数平均约40天，多于长江口沿岸和杭州湾北岸地区的25～30天。累年平均气压1016.1百帕。4～8月盛行东南风，11月至次年2月盛行西北风。影响上海的天气系统有台风、东风扰动、温带气旋、梅雨、寒潮。西太平洋副热带高压静止锋稳定在长江下游及上海附近时，形成多雨闷热潮湿的梅雨天气。城市气候特征明显，有热岛、干岛和湿岛、混浊岛、雨岛等现象。清同治十二年（1873年）至1990年，上海有113年出现气象灾害，气象灾害年出现几率0.96。会发生春涝、夏涝，伏旱和秋冬旱。破坏性潮灾约18年一遇。

江河、湖泊、塘陂水域总面积1800平方公里，陆域水面面积691平方公里，占陆地总面积10.9%，河网密度平均每平方公里6～7公里。长江口河段在上海境内全长148公里，属中等强度潮汐河口，非正规半日潮型，两个全潮进潮量60亿立方米。主要水系是由黄浦江及其支流吴淞江、蕰藻浜、大治河、淀浦河、油墩港、川杨河、金汇港、龙华港、杨树浦港等组成的黄浦江水系。黄浦江是长江最后一条支流，干流全长113.40公里，源于淀山湖，上溯连通太湖，贯穿上海全市，在吴淞口汇入长江。吴淞江流经上海53.1公里，在市区外白渡桥汇入黄浦江。最大湖泊淀山湖，属上海部分47.5平方公里。

土壤资源总面积38.28万公顷，耕地资源总面积34.52万公顷。地带性土壤为西南部零散山丘上残积弱富铝化母质发育的黄棕壤，湖沼平原、滨海平原由不同母质发育成隐域性土壤水稻土、灰潮土，三角洲平原、滩涂发育有滨海盐土。土壤类型归属4个土类，7个亚类，24个土属、95个土种。水稻土类分布最广，面积28.16万公顷，占土壤总面积73.56%，耕地总面积81.57%。灰潮土面积46560公顷，占全市土壤总面积12.16%，耕地总面积13.49%。滨海盐土总面积60973公顷，占全市土壤总面积15.93%，耕地总面积17.66%，其中未开发的潮间带盐土和潮间盐化土（滩涂）37593公顷，围垦后盐土和盐化土23380公顷。黄棕壤面积约400公顷，占全市土壤总面积0.10%，耕地总面积0.12%。平均有机质含量2.67%，磷平均含量13.5ppm，速效钾平均含量120ppm。

自然植被稀少，类型也较单一，草本植被面广，群落结构简单，组成种类单纯。针叶林、常绿阔叶林，落叶、常绿阔叶混交林、落叶阔叶林主要分布在松江佘山等低山残丘、大金山、小金山岛。滨海盐生植被分布于沿江、沿海大堤内外两侧含盐量较高地区。沼生植被分布于宝山、崇明、浦东及杭州湾北岸滩涂，淀山湖周围泖淀沿岸。在湖泊、河流、池塘、稻田及长江口、杭州湾近岸等大面积水域广布水生植被。约有500种乡土植物，外来植物350种。动物区划属东洋界中印亚界华中区东部丘陵平原亚区，是东洋界和古北界成分相互混杂的过渡地带。哺乳动物约40种。华南兔分布最广、数量最多。爬行动物约32种，两栖动物有13种。鱼类约203种，其中长江河口鱼类112种，杭州湾近海鱼类81种。黄浦江、吴淞江约有鱼类51种。鸟类有424种。本地繁殖的留鸟50种，候鸟374种。长江口、杭州湾海岸带滩涂、长江口沙洲、淀山湖湖滨约有150种湿地鸟类。无脊椎动物种类多、数量大。长江口、杭州湾北岸浮游动物种类约105种。园林土壤中弹尾目昆虫有69种。