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광주산맥에 속한 산지가 동부와 서부에 대략 남서 방향으로 뻗어 있다. 광주산맥의 주맥이 시의 동부를 따라 뻗어내려 주금산(814m)·천마산(812m)·운길산(610m) 등으로 이어져내리고, 시의 북서부에는 수리봉(537m)·수락산(638m)·불암산(508m) 등이 솟아 있어 의정부시와 서울특별시의 경계를 이루고 있다.

왕숙천이 동부산지와 서부산지 사이를 남류해 구리시와의 경계를 지나 한강에 유입하며, 마석우천과 수동천은 동류하다가 모두 북한강에 유입한다. 시의 남쪽은 하남시와 한강으로 경계를 이룬다. 왕숙천 유역에는 넓은 충적평야가 발달해 있다.

통합 전 남양주시의 지역은 연평균기온 10℃ 내외, 1월평균기온 －5℃ 내외, 8월평균기온은 26℃ 내외, 연평균강수량은 1,300㎜ 이상이다. 한편 통합 전 미금시 지역은 연평균기온 13℃ 내외, 1월평균기온 -4℃ 내외, 8월평균기온 27℃ 내외, 연평균강수량은 1,200㎜이다.