Pääosa Kööpenhaminasta sijaitsee Sjællandilla, pieni osa Amagerin saarella. Kaupunki on enimmäkseen varsin tasaista, mutta sen luoteisosassa on Søborgin ja Høje Gladsaxen 50 metriä korkeat mäet.
Kööpenhaminan lämpimimmät kuukaudet ovat heinä- ja elokuu, jolloin päivän keskimääräinen ylin lämpötila on noin 20 astetta. Kylmimpien kuukausien, tammi- ja helmikuun, keskimääräinen alin lämpötila on -2 astetta. Talvien kylmyys ja lumisuus vaihtelee vuosittain: esimerkiksi talven 2007–2008 keskilämpötilat olivat samankaltaisia kuin tavallisesti Etelä-Euroopassa, kun taas 2009–2010 satoi lunta sen verran kuin Suomessa keskimääräisenä talvena. Kesät ovat 1990- ja 2000-luvuilla tulleet huomattavasti lämpimämmiksi ja vähäsateisemmiksi. Sadetta esiintyy ympäri vuoden: eniten heinäkuussa (57 mm), vähiten helmikuussa (24 mm) Keskimäärin sadepäiviä on 11–17 joka kuukaudessa, mikä merkitsee, että keskimäärin joka toinen tai kolmas päivä sataa.
