Por su altura sobre el nivel del mar, el Distrito Federal posee climas que van desde el templado hasta el frío húmedo y tundra alpina en las partes más altas de las sierras del sur.

La zona urbana presenta un clima templado lluvioso, 16 °C de media, con temperaturas máximas superiores a 28 °C en algunos días del final de la primavera; en algunos días del invierno las temperaturas bajan a 6 °C en el centro histórico de la ciudad, a 2 °C en la UNAM y a −3 °C en zonas periféricas. La temporada húmeda en el Distrito Federal abarca de mayo a noviembre, si bien la pluviosidad es mayor entre los meses de junio y agosto. El patrón de las lluvias indica que son más abundantes mientras mayor sea la altitud de un sitio. Por ello, las partes bajas cercanas al vaso del lago de Texcoco suelen ser más secas que las cumbres del Ajusco. De igual manera, la altitud condiciona la temperatura y los ecosistemas en el Distrito Federal. La zona que comprende el norte de Iztapalapa, los territorios de Iztacalco y Venustiano Carranza y el oriente de Gustavo A. Madero es la región más seca y templada.

En la ciudad pueden ocurrir fenómenos meteorológicos extremos como las granizadas, con una frecuencia anual promedio de tres episodios, y los tornados, que pueden ocurrir cada cierto tiempo. Las nevadas eran unos fenómenos inusuales que hasta la década de 1920 ocurrían con una frecuencia aproximada de una vez cada 6 años, y que a raíz del crecimiento de la ciudad y con ello la isla de calor urbano, la probabilidad de que una nevada vuelva a ocurrir es prácticamente nula. La última nevada en la ciudad de México ocurrió en 1967, cuando la ciudad tenía una población de 7 millones de habitantes.