Город расположен на границе двух природных районов: к северу от Владимира простирается возвышенное безлесное Владимирское Ополье, к югу — лесная и болотистая Мещёрская низменность. Рельеф города сложный. Наиболее старая центральная часть лежит на высоком левом берегу реки Клязьма, на круто спускающихся к реке холмах, разделённых глубокими оврагами.

Клязьма протекает по городу на протяжении 2,5 км и ещё 5 км вдоль городской границы, ширина реки во Владимире составляет 130 м. По территории города также протекает около 60 рек и ручьёв, наиболее известными из которых являются Рпень, Лыбедь (до XV века являлась северной границей города, в 1960-е годы частично заключена в коллектор, с построением Лыбедской автодорожной магистрали 10 августа 2016 году заключена в коллектор полностью), Содышка (с водохранилищем площадью около 100 га), Почайка (заключена в коллектор, исторически упоминается в связи с крещением владимирцев в реке Почайке) и Сунгирь.