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A Geografia da cidade do Rio de Janeiro é constituída de acidentes geográficos variados como maciços, baías, ilhas, restingas, lagoas, serras, rios e morros. Localizada à margem da baía de Guanabara e ocupando a Ilha do Governador e Ilha de Paquetá, a cidade se estende até a Restinga de Marambaia próxima ao bairro de Campo Grande com a Serra de Madureira. Ao norte, é limitada geograficamente pelo rio Pavuna que faz a divisa com os municípios de Nilópolis, São João de Meriti e Duque de Caxias. O Rio de Janeiro está assentado sobre três grandes maciços: Pedra Branca, Gericinó, e o da Tijuca ou da Carioca, sobre o qual irrompem morros e picos de interesse turístico como por exemplo o pico da Tijuca, Bico do Papagaio, Andaraí, Pedra da Gávea, Corcovado e o Pão de Açúcar.

O litoral é extenso e inclui mais de 100 ilhas e desdobra-se na baía de Guanabara, oceano Atlântico e na baía de Sepetiba que a abrange a Restinga da Marambaia. O litoral da baía de Guanabara é recortado e em suas margens, situam-se o centro comercial e subúrbios industriais. A parte atlântica expressa alternâncias da geografia entre o maciço da Tijuca, incluindo a pedra da Gávea, e as praias da Barra da Tijuca e Recreio dos Bandeirantes. As principais lagoas da cidade são Marapendi, Jacarepaguá e Rodrigo de Freitas.

O clima tropical atlântico, classificado como Aw segundo o modelo de Köppen, sofre efeito perceptível da maritimidade traduzindo-se em amplitudes térmicas relativamente baixas. Os verões são quentes e úmidos, enquanto os invernos apresentam-se amenos e com regime de chuvas mais restrito. Devido à concentração de edifícios nas regiões urbanas centrais, mais afastadas do litoral, é comum o surgimento de ilhas de calor, com termômetros superando a marca dos 40°C.

A cidade conta com parques e reservas ecológicas, como o Parque Nacional da Tijuca, considerado "Patrimônio Ambiental e Reserva da Biosfera" pela UNESCO, o Parque Estadual da Pedra Branca, o Complexo da Quinta da Boa Vista