Le Grand Londres se situe dans le sud-est de l'Angleterre, à 45 km à l'ouest de l'estuaire de la Tamise et s'étend sur une superficie de 1 579 km², ce qui place la ville à la trente-septième des grandes agglomérations les plus étendues. L'altitude varie du niveau de la mer jusqu'à 245 m à Biggin Hill, au sud de l'agglomération.

 

Le fleuve, qui traverse la ville d'ouest en est, a eu une influence majeure sur le développement de la ville. Londres a été fondée à l'origine sur la rive nord du fleuve et n'a disposé, pendant plusieurs siècles, que d'un seul pont, le pont de Londres (London Bridge).
Le foyer principal de la ville s'est en conséquence cantonné sur cette rive de la Tamise, jusqu'à la construction, au XVIIIe siècle, d'une série d'autres ponts. La ville s'est alors étendue dans toutes les directions, cette expansion n'étant gênée par aucun obstacle naturel, dans une campagne presque dépourvue de reliefs, à l'exception de quelques collines (Parliament Hill, Primrose Hill).

La Tamise était autrefois plus large et moins profonde qu'aujourd'hui. Les rives du fleuve ont été massivement aménagées, la plupart des affluents ont été détournés et sont à présent souterrains, parfois transformés en égouts (ainsi, la rivière Fleet d'après laquelle est nommée la Fleet Street, l'ancienne rue des journalistes).

La Tamise est sujette à la marée et Londres est largement inondable. Les menaces d'inondation augmentent d'ailleurs avec le temps compte tenu de l'élévation régulière du niveau de l'eau à marée haute et de la lente inclinaison de la Grande-Bretagne (relèvement au nord, abaissement au sud) causée par un phénomène de relèvement isostatique. Un barrage, la Thames Barrier, a été construit à travers la Tamise à Woolwich dans les années 1970, pour pallier cette menace.
En 2005 cependant, il a été suggéré la construction d'un barrage d'une quinzaine de kilomètres de long plus bas en aval pour parer les risques futurs d'inondation.