地质地貌。南京的地质在全国大地构造单元上属扬子古陆的北部边缘，基底主要是轻变质的片岩和变质的火山岩。地貌属宁镇扬山地，低山、丘陵、岗地约占全市总面积的60.8%，平原、洼地及河流湖泊约占39.2%。低山、丘陵之间或两侧多是地势低平的河谷平原和滨湖平原，沿长江有沿江洲地和江心洲地，其海拔均不到10米。长江以北是老山山脉、滁河河谷平原、大片岗地和零星丘陵。长江以南大致可分为3个区域。北部，从沿江到主城区周围，钟山、牛首山、云台山等依次排列，海拔大致在200—400多米；钟山主峰北高峰，海拔448.9米，是宁镇山脉最高峰，其延伸入城内的钟山余脉，自东向西隆起，由富贵山、九华山、鸡笼山、鼓楼岗、五台山和清凉山组合成南北分水岭，北侧为金川河流域，南侧属秦淮河流域。中部，从主城区以南到溧水永阳之间，是一构造完整的山间盆地，宁镇山脉、横山和东庐山、牛首山和云台山、茅山环峙四周，海拔在250—400米；秦淮河由南向北贯穿盆地，两侧形成海拔5—10米低平的河谷平原；在山地和平原之间，分布着海拔20—60米的黄土岗地。南部，溧水区南部和高淳区全境，地势东高西低，海拔仅为5—10米的石臼湖和固城湖滨湖平原位于西部，东部为海拔20—40米的黄土岗地；该区域中部，茅山向南延伸的余脉形成海拔约100米的分水岭，东侧为太湖流域，西侧属水阳江、青弋江流域。

气候。南京具有典型的北亚热带湿润气候特征，四季分明，雨水充沛，春秋短、冬夏长，年温差较大。自1905年有气象记录以来，气温经历先上升再下降又上升的变化。冬季常年以东北风为主，1月平均气温3.1℃，极端日最低气温-14.0℃，出现在1955年1月6日；夏季以东南风为主，7月平均气温28.4℃，极端日最高气温43.0℃，出现在1934年7月13日。大于0.1毫米的降水日数112.9天，极端最多年降水日数152天，出现在1954年；年均降水量1144.0毫米，极端最多年降水量1825.8毫米，出现在1991年。

2024年，南京市平均气温偏高，多站创历史新高，高温日数明显偏多；降水量总体偏多，汛期内强对流、暴雨天气多发频发；日照时数略偏多。

重要天气气候事件。2024年，南京市重要的天气气候事件包括低温雨雪冰冻、寒潮、暴雨、高温、强对流、梅雨、台风和大雾。（1）低温雨雪冰冻。2月18—24日，全市出现雷暴、暴雨、寒潮、大风、雨夹雪（冰粒、冻雨）及降雪等天气，此次过程影响范围广、雨雪强度较大、低温冰冻持续时间长、降水相态及天气现象复杂。（2）寒潮。出现12次较强冷空气过程，其中有3次全市大部分地区达到寒潮标准。特别是1月22—23日，受寒潮天气影响，气温持续下降，并伴有5—7级的偏北风。日最低气温48小时降温幅度达8—10℃，过程最低气温出现在23日早晨，全市-5.4—-8.5℃，有严重冰冻。（3）暴雨。出现12次区域性暴雨天气过程，主要集中在梅汛期6—9月。其中，6月28—30日、7月9—11日、8月19—20日，9月10日夜里—11日以及9月15日夜里—17日出现区域性暴雨天气过程。8月19—20日，全市出现暴雨到大暴雨天气，其中主城区大部，六合龙袍及雄州，溧水白马，高淳桠溪，江宁东山、汤山、秣陵、谷里、麒麟、横溪及湖熟等地65站出现大暴雨，最大降雨量256.8毫米（秦淮区红花街道）。（4）高温。春季、夏季、秋季气温均显著偏高，尤其是秋季各站均刷新历史最高值记录。年高温日数34（六合）—53（高淳）天，较常年明显偏多19.0（六合）—29.5（高淳）天，其中南京（江宁）、浦口和高淳为历史第二多，六合、溧水为历史第三多。（5）强对流。出现21次以短时强降水、雷暴大风为主的强对流天气过程。8月6日傍晚到夜里，全市19站极大风达7级及以上。9月10日夜里—11日，受强东风波影响，全市出现区域性大雨到暴雨，部分地区大暴雨，最大小时雨量85.9毫米（溧水区白马镇）。（6）梅雨。6月19日入梅，入梅时间正常（常年6月19日），7月15日出梅，较常年（7月13日）略偏晚，梅雨期27天，较常年（24—25天）略偏长。梅雨量359.9（溧水）—588.5（高淳）毫米，各站较常年明显偏多，全市平均梅雨量461.8毫米，是常年梅雨量（284.5毫米）的1.6倍。7月4—9日，梅雨带北抬，南京市降水中断，出现持续性高温天气。（7）台风。主要有5个台风或外围环流影响南京市，其中台风“贝碧嘉”影响较重。9月15日夜里—17日，受第13号台风“贝碧嘉”影响，出现暴雨到大暴雨，并伴有9—12级阵风，最大雨量176.9毫米（秦淮区红花街道）。（8）大雾。雾日数为6（南京）—40（六合）天，地域差异较大，其中南京（江宁）、浦口站年雾日数在12天以内，其他站超过25天。大雾天气主要集中在1月、春季以及秋季。其中，11月大雾天气5次，出现在六合、高淳和溧水地区。

土壤。南京土壤类型主要有地带性土壤和耕作土壤2种。地带性土壤在南京北部、中部地区为黄棕壤，在南部与安徽接壤处为红壤。经人为耕作形成的耕作土壤以水稻土为主，并有部分黄刚土和菜园土。土壤分布随地形起伏、水文条件呈现出一定规律，可分为低山丘陵区、岗地区和平原地区三大类。据1980年至1987年全国第二次土壤普查结果显示，南京境内土壤分为7个土类、13个亚类、30个土属和66个土种，总面积41.63万公顷。

动植物资源。南京市生物多样性本底调查记录物种3672个，其中陆生维管植物1742种，陆生脊椎动物410种，陆生昆虫699种，水生生物712种，大型真菌179种，包括长江江豚、青头潜鸭等国家重点保护野生动植物物种92种（包括国家一级重点保护物种长江江豚、青头潜鸭，国家二级重点保护物种秤锤树、中华虎凤蝶等）。玄武湖明城墙基部发现世界城市环境中天然更新的最大水杉小树及最大种群，在紫金山南麓发现城市森林中天然更新的最大南方红豆杉种群。

水资源。南京地处长江下游，长江自西南向东北斜贯市境，长约93千米，东距入海口300多千米。秦淮河自南向北奔流而来，是南京的母亲河；玄武湖、莫愁湖是镶嵌在主城区的两颗明珠。全市水域面积占全市总面积11.4%。河湖水系主要属于长江水系，仅在六合区北部流入高邮湖、宝应湖的河流属淮河水系。长江水系包括江南的秦淮河水系，江北的滁河水系，由沿江两岸独流入江的小河流形成的沿江水系，由石臼湖和固城湖组成的两湖水系，以及高淳东部的西太湖水系。地下水资源丰富且水质优良，江宁的汤山、江浦的汤泉、浦口的珍珠泉等尤为闻名。

矿产资源。南京矿产资源丰富，发现的矿产主要有铁、铜、铅、锌、锶、硫铁、白云石、石灰石、石膏、黏土等58种，其中探明储量的35种，其中17种矿产保有储量占全省60%以上，有4种矿产在国内处于领先地位，分别为锶矿、凹凸棒石黏土、玄武矿、石膏矿。南京的矿产主要集中在4个成矿区带，即江浦—六合铁、铜成矿带，宁镇铁、铜、硫多金属成矿带，宁芜铁、铜、硫成矿区，溧水铁、铜成矿区。地热资源比较丰富，有汤山地热田和汤泉地热田。