如果打开北京地区的地形图，或者登上北京的西山之巅，就会清楚地看到：北京周围的地形很像一个半封闭的海湾。它的西面、北面和东北面群山环抱，状若围屏，只有东南一面，平坦辽阔的华北大平原展开，一望无际。如果把这些蜿蜒起伏的群山想象成海边的陆地，而那广阔无垠的平原是碧波万顷的大海，那么在平原之上矗立的座座孤独的山丘，则酷似突兀在碧波之中的小岛。这种情景，在雾霭笼罩着原野的时候，尤其显得逼真。北京真的曾经是个海湾吗?
根据在顺义县打的钻孔里发现有孔虫化石，可以推知大约在二百万年前，也就是在地质历史最新一“章”——第四纪开始的时候，曾经发生过一次规模较大的“海进”，即海平面大规模上升而侵入陆地，古渤海湾曾一度扩展到了北京地区。后来海水又退走了。在最近二百万年内，这样的海水进退又发生过好几次，范围有大有小。例如二万五千年前的一次“海进”，海水只不过到了京津之间的地方而已。所以，北京是不是形成了真正科学意义上的“海湾”还有待继续考察研究。
经历了地质的沧桑巨变，最终形成了今天的北京小平原。在小平原的西部，是沿着山西、河北两省交界延伸过来的巍巍太行山北段，从北京房山县西南的拒马河到昌平县南口关沟这一段，通称为北京的西山。它的山势是由东北走向西南，西北高峻，层峦叠嶂，耸立云天。例如北京市最西部边境上的灵山，海拔两千多米，是这一带最高的山峰。但山势向东南逐渐降低，在西山与北京小平原的接壤之处，则是海拔高度不大的低山和丘陵。近在北京西郊的玉泉山、万寿山，只不过是孤立在平原边际上的断岗残丘而已。
北京的北部和东北部，是属于燕山山脉的军都山。它像一张弯弓由西南延伸向东北，横亘在蒙古高原与华北大平原之间，形成一道天然屏障；向东，它逶迤数百里直抵渤海之滨，因而也将东北大平原和华北大平原分隔开来。军都山所属的燕山山脉是我国北方巨大的阴山山脉的一支，平均海拔在千米以上，是地理上的重要分界线。在这道峰峦起伏、地势险要的山岭之中，有许多天然形成的峡谷关隘，其中最重要的例如密云县的古北口、昌平县的南口关沟、河北省迁西县的喜峰口等，均为沟通北京小平原与蒙古高原和东北大平原的交通要道。
三面环山的北京小平原位于华北大平原的西北端，除了距离山区不远的地方有一些孤独零星的岛屿般的残丘之外，平原地势平坦，西北略高，东南渐低，缓缓向渤海海滨倾斜。在这平展开阔的平原上，从周围山区发源的大小河川，蜿蜒流经北京小平原，最后向东南汇为海河，注入渤海。其中最大的、也是最著名的便是永定河。
永定河穿过北京市西南部的崇山峻岭，从北京城西的三家店流出西山进入平原，向东南流到天津汇入海河。除此之外，流经北京小平原上的重要河流还有东部的潮白河、北运河和西南边界上的拒马河等。这些河流，一方面，它们的沉积物对北京小平原的形成有很大关系，另一方面，它们对北京地区早期原始部落的诞生也有着直接影响。
北京地处亚欧大陆东岸的一隅，虽然东南距离渤海仅仅一百四十五公里，但是海洋对北京的气候影响并不大，终年的气流多来自西北方向，因而北京的气候是标准的温带大陆性季风气候，主要特点是冬季寒冷干燥，夏季炎热多雨。特别应该指出的是，北京年平均降雨量约为六百四十毫米，而其中的百分之七十多均集中在夏季。夏季的高温多雨，对植物生长是十分有利的。这是由于夏季东南海洋上的温暖而潮湿的气流吹向陆地带来的。当然，由于北京地区地形复杂，山地占总面积的五分之三，平原只占五分之二，因而形成山区与平原气候的明显差别。
就是在这样的自然条件下，北京孕育了世界上最先进的原始人群——周口店北京人，缔造出中国历史上最重要的城市和恢弘灿烂的东方文明。