Aranjuez cuenta con un clima mediterráneo continentalizado, al igual que el centro de España. Los inviernos son fríos y húmedos, con frecuentes heladas (160 al año de media), que pueden producirse desde octubre a mayo. Sin embargo, las nevadas son muy poco habituales debido a su baja cota (alrededor de los 500 msnm). Son muy frecuentes fenómenos de estancamiento anticiclónico, en los cuales se forman densas nieblas debidas a la humedad del Tajo. El mes más frío es enero (5ºC de media), con un récord mínimo de -10ºC. Por otro lado, los veranos son largos y muy calurosos. El mes más cálido es julio (25ºC de media), con un récord máximo de 42ºC. Es la región con las temperaturas más altas de toda la Comunidad de Madrid, que supera fácilmente los 35ºC durante los meses de julio y agosto. La temperatura media anual es de 13,8ºC, con una precipitación anual de 456 mm[10] (otras fuentes indican 385,9 mm[9] ). El número de días medio de lluvia al año es de 68,65 días, con una precipitación máxima de 110 mm producida en un sólo día (9 de septiembre de 1990).

Aranjuez se encuentra en la orilla izquierda del río Tajo, cuyo valle recorre el término municipal de Este a Suroeste. Por otro lado, el río Jarama transcurre de Norte a Sur por el límite occidental del término municipal, hasta desembocar en el Tajo por la derecha, unos kilómetros después de Aranjuez. Además de estos dos ríos, cabe mencionar el río Algodor (en la división administrativa entre Madrid y Toledo), el Arroyo de Martín Román, el Arroyo de Ontígola y el Arroyo de la Cavina. El sistema hidrográfico se completa con el canal de la Cola Alta, el de la Cola Baja, el de la Azuda, así como el del Jarama. El Embalse del Embocador, construido en 1530 muy cerca del Real Cortijo de San Isidro, tiene por objetivo regular el caudal del Tajo, así como para facilitar las labores de riego agrícola. Por otro lado, el Mar de Ontígola hace lo propio con el Arroyo de Ontígola. En el término municipal de Aranjuez se encuentran tres reservas naturales protegidas: la Reserva Natural del Carrizal de Villamejor, la Reserva del Regajal-Mar de Ontígola y el Parque del Sureste (cursos bajos de los ríos Manzanares y Jarama). Está además declarada como Zona de especial protección para las aves (ZEPA), según la Directiva 76/407.

El Parque Regional de los cursos bajos de los ríos Manzanares y Jarama, o llamado coloquialmente Parque Regional de Sureste, es un espacio protegido de 31.552 hectáreas situado a lo largo del curso medio-bajo de los ríos Jarama y Manzanares, en el sureste (de ahí su nombre) de la Comunidad de Madrid (España). Es un parque regional que se extiende de norte a sur a lo largo del Jarama, en donde predominan las llanuras de ribera y algunos cerros, pero la riqueza natural de este espacio reside en las fértiles llanuras cerealistas, los cortados y cantiles de los cerros, los sotos y riberas de los ríos y en los numerosos humedales. Uno de sus enclaves más emblemáticos son los Cerros de la Marañosa, cuya altura máxima es de 698 m. El parque regional se aprobó en 28 de junio de 1994 por la Asamblea de Madrid. Con esta decisión se daba el primer paso para aportar respaldo legal a la voluntad de recuperar y proteger la zona del Jarama. En la zona también hay yacimientos arqueológicos y paleontológicos. Sin embargo, se han permitido algunas acciones dudosas como que atreviese el parque la circunvalación M-45, la construcción de un campo de golf en terrenos del parque que ponen en peligro una extensión protegida. El parque sigue en periodo de restauración (2006), en Soto de las Juntas una finca propiedad de la comunidad de Madrid de 82 Ha. en el termino municipal de Rivas Vaciamadrid. Zona degradada por la explotación en la extracción de áridos. Está situada entre el río Manzanares y el río Jarama, se ha realizado trabajos de restauración que ha permitido recuperar el medio natural de los sotos y riberas del valle bajo del Jarama. Se restauró la cubierta vegetal plantando chopos (Populus alba), sauces (Salix alba). La zona está protegida como reserva de fauna. Este espacio protegido está dentro de los términos municipales de Velilla de San Antonio, Ciempozuelos, Titulcia, Rivas Vaciamadrid, San Martín de la Vega, Arganda del Rey, San Fernando de Henares, Pinto, Mejorada del Campo, Getafe, Valdemoro, Aranjuez, Chinchón, Torrejón de Ardoz, Coslada y Madrid. La fauna más característica del espacio es: Mamíferos: comadreja, erizo común, gato montés, jabalí, liebre, murciélago común, ratón de campo, tejón, zorro, entre otros. Peces: barbo, black bass, cacho, cangrejo americano, carpa, gobio, lucio, perca sol, pez gato, trucha arco iris, tenga, entre otros. Reptiles y anfibios: culebra de collar, gallipato, lagartija colirroja, rana común, sapillo moteado, sapo común, tortuga de Florida, tritón jaspeado, entre otros. Aves: Gran variedad de aves típicas de los humedales y de la meseta castellana. Interesante la presencia de martin pescador y martinete. Gran presencia de cigüeñas blancas en septiembre preparando la migración hacia Africa. Suelen verse rapaces como el aguilucho lagunero. La flora más abundante son las especies propias del encinar manchego, los matorrales gipsícolas, los bosques de ribera y los cañizares.

El relieve de Aranjuez es suave, con numerosos cerros y colinas redondeadas, que tienen como origen los pliegues y hundimientos del terreno producidos por la erosión del agua. Dichos cerros se encuentran principalmente en el sur y sudeste del término municipal. Cuenta con varios vértices geodésicos[7] . Los más altos son los situados en el Cerro de Caridad (646,30 msnm, 40º 1' 38,2887" N, 3º 31' 14,7547" W), en la frontera con el término municipal de Ontígola, y en el Cerro de Valdelascasas (640,90 msnm, 40º 1' 39,3219" N, 3º 34' 47,8812" W), al sudeste de la ciudad, que se encuentra coronado por las ruinas de dos búnkeres de la Guerra Civil Española. Otros vértices dentro del extenso término de Aranjuez son el del Cerro de la Cavina (612,30 msnm, 39º 59' 20,3129" N, 3º 38' 28,5646" W), junto a La Flamenca, el de Loma Culebra (547,10 msnm, 39º 55' 5,7165" N, 3º 46' 58,8062" W), en Villamejor, y el de Valdelacierva (545,50 msnm, 39º 58' 27,7198" N, 3º 42' 9,8591" W), en Las Infantas. La mayor parte del término municipal se encuentra en los valles del Tajo y del Jarama, que forman terrazas y que se extienden de Norte a Suroeste. Corresponden a las zonas más bajas, que rondan los 500 msnm. El terreno es en parte yesífero del Cuaternario y Mioceno, y en parte calizo. En la zona se han encontrado yacimientos del Paleolítico inferior, así como de la primera Edad de Hierro, así como restos romanos y paleocristianos.

La Reserva del Regajal-Mar de Ontígola es un humedal situado en la Comunidad de Madrid, en la ciudad de Aranjuez, muy próximo a la localidad toledana de Ontígola, de la que toma el nombre. Es una laguna artifical, que fue construida en el siglo XVI por el arquitecto Juan de Herrera, a petición de Felipe II. Herrera realizó una gran obra y utilizó para los diques piedra de Colmenar de la Oreja. Con el tiempo esta laguna ha ido integrandose en el paisaje y actualmente tiene una apariencia totalmente natural.Tiene una longitud aproximada de 700 m de largo por unos 150 de ancho y no supera los cinco metros de profundidad. A mediados de los años 1980, corrió un serio riesgo de desaparición pues la construcción de la autovía Madrid-Andalucía, en uno de sus proyectos, comtemplaba su paso por la laguna. Declarado en 1994 como Reserva natural, cuenta con una superficie de 635 hectáreas. A pesar de su tamaño, es considerado como uno de los espacios más importantes entomológicos de Europa, sobre todo mariposas, algunas de ellas endémicas y en grave peligro de extinción o muy amenazadas. Existe una subespecie autóctona. En la mayor parte del humedal se encuentra presente el carrizo, enea y juncos, vegetación tipo palustre, que prácticamente cubre la laguna. Se obseva una avifauna acuática a tener en cuenta, pues en ella buscan refugio y alimento más de cien especies de aves.

Reserva natural de unas 56 hectáreas situada en el término municipal de Aranjuez (Comunidad de Madrid), en la desembocadura del arroyo de Martín Román en el río Tajo. Su estatus como zona protegida está regulado por los decretos 21/1991 (21 de marzo 1991), 81/1998 (14 de mayo 1998) y 265/2001 (29 de noviembre 2001) de la Comunidad de Madrid. Se trata de un saladar en el que crecen sabinas, típicas de la costa y raras en el interior. Se explica su presencia por la abundancia de sales yesíferas en el suelo. La reserva dispone también de un tarajal en su zona central. De entre los animales existentes, destacan numerosas aves, como el aguilucho lagunero, el estornino, el escribano, el triguero y el martinete.

En las riberas de los ríos, así como en el casco urbano y en las zonas dependientes de Patrimonio Nacional crecen los olmos, chopos, frenos, álamos, cipreses, olivos, moreras, encinas y sauces, aunque en los cerros de Aranjuez también podemos encontrar tomillo, esparto, pino negro y gatuña. En los suelos yesíferos crece la ontina y la saponaria, mientras que en los salinos aparece el llantén y el caramillo . Sin embargo, el árbol más abundante es el plátano de sombra. El suelo verde urbano alcanza un 7% del casco de la ciudad.