Lima se encuentra en el desierto costero del Perú, en la falda de la vertiente occidental de los andes centrales del Perú. Aunque fue inicialmente fundada sobre el valle del río Rímac, hoy se extiende sobre extensas zonas desérticas e incluso sobre otros valles. Mientras que la plaza de armas se ubica a una altitud de 161 msnm, el distrito de Lurigancho-Chosica llega a los 950 msnm.56
Bordea el litoral desde el km 50 de la Panamericana Norte, a la altura del distrito de Ancón en el límite con la provincia de Huaral, hasta el distrito de Pucusana a la altura del km 70 de la Panamericana Sur, en el límite de la provincia de Cañete. Lo que hace una extensión de poco más de 130 km de costa y playa. Hacia el este se extiende hasta aproximadamente el km 50 de la carretera Central en el distrito de Lurigancho-Chosica, límite con la provincia de Huarochirí.
El clima de la ciudad resulta especialmente particular dada su situación. Combina una ausencia casi total de precipitaciones, con un altísimo nivel de humedad atmosférica y persistente cobertura nubosa. Así, sorprende por sus extrañas características a pesar de estar ubicada en una zona tropical a 12 grados latitud sur y casi al nivel del mar. La costa central peruana, muestra una serie de microclimas atípicos debido a la influyente y fría corriente de Humboldt que se deriva de la Antártida, la cercanía de la cordillera y su ubicación geográfica, dándole a Lima un clima subtropical, fresco, desértico y húmedo a la vez.
Se puede decir, que tiene un clima tibio sin excesivo calor tropical ni fríos extremos que requieran tener calefacción en casa, a excepción de muy pocos inviernos. La temperatura promedio anual es de 18,5 a 19 °C, con un máximo estival anual de unos 29 °C. Los veranos, de diciembre a abril, tienen temperaturas que oscilan entre los 29 a 30 °C durante el día y 21 a 22 °C en las noches. Solamente cuando ocurre el Fenómeno del Niño, la temperatura en la estación de verano puede superar los 31 °C. Los inviernos van de junio a mediados de septiembre, con temperaturas que oscilan entre los 19 y 12 °C, siendo 8,8 °C la temperatura más baja comprobada históricamente.57 Los meses de primavera y otoño (septiembre, octubre y mayo), tienen temperaturas templadas que oscilan entre los 23 y 17 °C.
Por otro lado, la humedad relativa es sumamente alta (hasta el 100%), produciendo neblina persistente de junio a diciembre hasta la entrada del verano cuando las nubes son menores. Es soleado, húmedo y caliente en los veranos (diciembre-abril), nuboso y templado en los inviernos (junio a septiembre). La lluvia es casi nula.58 El promedio anual es de 7 mm reportado en el Aeropuerto Internacional Jorge Chávez, siendo la menor cantidad en un área metropolitana en el mundo. Una lluvia en Lima puede ser vista como un fenómeno extraño por la mayor parte de la población.
Solo muy pocas veces ha llovido intensamente en la ciudad. El fenómeno de la lluvia se da especialmente en los distritos cercanos a los cerros como La Molina y Lurigancho-Chosica.59 Una de las lluvias más fuertes que hubo en la ciudad en la última década, fue soportada por los distritos de La Molina, San Juan de Miraflores, Villa María del Triunfo, Villa el Salvador y Cieneguilla el 6 de abril de 2001. Aquella noche, se produjo una fuerte lluvia con truenos y relámpagos, la cual sorprendió a los habitantes. Fue producida por el desprendimiento de una célula convectiva que recorrió desde la sierra hasta ingresar a la costa.60 La última lluvia con truenos se produjo el 7 de marzo de 2009 en La Molina y Ate Vitarte, producto de la llegada de nubes desde la sierra.61
Cuando llueve muy fuerte en Lima normalmente hay problemas, pues la ciudad no está preparada para la lluvia.62 En los cerros se producen huaycos o aludes. Cuando una quebrada seca se reactiva con la lluvia ésta genera grandes daños. En 2002 hubo aludes en la zona de Huaycán y Santa María de Huachipa.63 También a lo largo de los años se han producido algunos huaycos en Lurigancho-Chosica y Chaclacayo.64 65 El último fenómeno anómalo en Lima de consideración sucedió en enero de 2011, debido a la llegada de nubes desde la sierra hasta la costa, lo que produjo intensas lluvias en varios distritos capitalinos.66 Lima tiene sólo 1284 horas de sol al año, 28,6 horas en julio y 179,1 horas en enero, valores excepcionalmente bajos para la latitud.67 De enero a abril predominan los cielos claros; en mayo, y de octubre a diciembre, los cielos se mantienen parcialmente nublados; de junio a septiembre los cielos se mantienen tenebrosos, cubiertos casi permanentemente. La combinación de fenómenos climáticos se presentan así:
La corriente fría de Humboldt que recorre la costa, enfría sensiblemente la temperatura del agua. Esta es mucho más fría que lo que correspondería a la latitud tropical en la que se sitúa la ciudad. Así, las condiciones de frío a nivel del mar con una atmósfera superior más caliente por la acción solar, genera una inversión térmica que impide el fenómeno de convección, por el cual el aire más cálido y menos denso asciende. Esto, unido a la cordillera andina circundante, hace que se presente una casi permanente capa de espesa nubosidad extremadamente baja (a menos de 500 m del suelo), que impide el paso de la radiación solar directa. A su vez, el bloqueo por una capa de aire caliente superior evita la formación de nubes de desarrollo vertical cumulonimbus, lo que explica la ausencia de precipitaciones. Esta es la razón de la paradoja de tener un clima extremadamente nuboso y húmedo y, sin embargo, desértico. Las escasas precipitaciones (menos de 8 mm anual) conocidas como garúa son producto de la condensación de la nubosidad baja que forma el sistema.
En cuanto a la morfología, el departamento de Lima está formada por dos regiones distintas, la costa y la sierra.69 En la zona costera predominan las pampas desérticas, enmarcadas por colinas,70 en muchos casos interrumpidas por oasis formados por ríos que llevan agua todo el año. Son los valles costaneros, donde están asentadas ciudades y prospera una agricultura.70 Los accidentes más importantes son las colinas aisladas o formando sistemas, las quebradas secas, terrazas fluviales y marinas, y relieves ondulados, así como los acantilados litorales. La región de la sierra está formada por la Cordillera Occidental de los Andes, con alturas que llegan hasta más de 6000 msnm.70
Para su abastecimiento de agua la población de Lima depende de tres ríos -el Rímac, el Chillón y el Lurín-71 Al igual que la mayoría de ríos peruanos nacen en las altas montañas de la cordillera de los Andes y desembocan en el océano Pacífico.72 Son cortos, de curso empinado y régimen estacional.73 El río Rímac inicia su recorrido en la vertiente occidental de la cordillera de los Andes a una altitud de aproximadamente 5508 m en el nevado Paca,74 recorre las provincias de Lima y Huarochirí, ambas ubicadas en el departamento de Lima.
A la altura de la ciudad de Lima, el río es atravesado por varios puentes, siendo el más representativo de ellos el Puente de Piedra construido por el virrey Juan de Mendoza y Luna en 1610. En su cuenca se encuentra la planta de tratamiento de agua La Atarjea (manejada por la empresa estatal Sedapal), además de las centrales hidroeléctricas de Huampaní, Matucana, Huinco, Barbablanca y Moyopampa.
El río Chillón es la segunda fuente más importante de agua para Lima.75 Se forma en la vertiente occidental de la cordillera La Viuda. Su cuenca cubre una superficie de 2444 km².71 Su valle es fértil, como se evidencia por la presencia de varios asentamientos humanos desde épocas prehispánicas hasta la actualidad. Fue aquí donde se formó la cultura Colli. Además en el valle formado por este río se estableció la cultura Chivateros.76
El río Lurín se origina en los glaciares y lagunas de los Andes occidentales. Su cuenca cubre un área de 1670 km² y se extiende desde el borde del litoral hasta la zona de los nevados Otoshmicumán y Chanape en la provincia de Huarochirí.77 Es conocido como el río Chalilla hasta su confluencia con el riachuelo Taquía a partir de donde recibe su nombre común. Sus principales afluentes son el Taquía, Llacomayqui, Tinajas, Numincancha y Canchahuara en su margen izquierdo y el Chamacna en el derecho.77
La flora capitalina está formada por una gran variedad de hierbas, plantas, arbustos y árboles que crecen en las lomas y en los montes ribereños. El amancay es la flor típica de la ciudad, es endémica de las lomas costeras del Perú y sólo aparece en la estación fría y nublada.78 79 Otras especies que forman parte de la flora limeña son la begonia, la ortiga, el ficus, la ponciana, la oreja de elefante, el olivo y el geranio.79 En cuanto a la fauna, en la ciudad se puede encontrar más de cien especies distintas de aves.80 Las más comunes son la paloma doméstica o paloma de Castilla, la cuculí, los jilgueros y los gorriones,79
La ciudad de Lima cuenta con dos áreas naturales protegidas por el Servicio Nacional de Áreas Naturales Protegidas por el Estado, el refugio de vida silvestre Pantanos de Villa y la zona reservada Lomas de Ancón. Los Pantanos de Villa están ubicados en el distrito de Santiago de Surco, son unos humedales naturales que permiten la anidación y el tránsito de aves migratorias y residentes.81 Las Lomas de Ancón están localizadas en el distrito de Ancón. Comprenden una extensión de 10 962,14 hectáreas, fue nombrada zona reservada ya que en el lugar se han encontrado una gran variedad de flora no vista en otras zonas.82