Sa principale caractéristique est d'être traversé par la Seine qui y décrit deux courbes très accentuées, provoquées par la présence de deux massifs de collines :

• un plateau calcaire au sud, s'élevant du Plessis-Robinson jusqu'à Vaucresson où le département culmine à 180 mètres,
• au centre, une falaise s'étendant de Sèvres à Asnières dont la hauteur la plus visible est le Mont-Valérien.

Au nord, le département se compose de plaines alluviales, alors que le sud est formé d'un plateau calcaire d'où, pendant des siècles, ont été extraites des pierres pour la construction. Les carrières de Châtillon, Bagneux, Clamart ont donné naissance à la plupart des monuments de Paris, et il reste aujourd'hui encore de nombreux souterrains. Le plateau calcaire est entaillé, à l'est, par la vallée de la Bièvre qui délimite par endroits le département.