Софийската котловина е разположена между планинските дялове на Стара планина Чепън, Мала планина, Софийска планина и Мургаш на север и североизток, планините Вискяр, Люлин и Витоша на югозапад, Лозенска планина (част от Ихтиманска Средна гора) на юг и Вакарелска планина и рида Белица (части от Ихтиманска Средна гора) на югоизток. На запад вододела между реките Сливнишка и Габерска и Алдомировските височини я отделят от Бурелската котловина, а на изток ниският Негушевски рид я отделя от малката Саранска котловина.
В така описаните граници площта на котловината е 1180 км2 и се явява най-голямата от всички задбалкански котловини в България. Дължината и от северозапад на югоизток е 75 км, а ширината ѝ варира от 5 до 20 км. Средната ѝ надморска височина е 550 м. Котловината има хълмиста подножна част и широка равна част – Софийско поле, в което се издигат ниски хълмове – Лозенец, Редута, Баба и др. Подножието на котловината се издига до 700 м н.в. и е по-добре изразено на запад от река Искър.
Климатът в котловината е умереноконтинентален с чести температурни инверсии и фьонови ветрове. Средногодишната температура е 9 – 10 °C, като средната януарска температура е около -2 °C, а средната юлска около 20 °C. Среден годишен валеж 550 – 560 мм.
Котловината се отводнява от протичащата от юг на север река Искър и притоците ѝ Перловска река, Владайска река (със Суходолска река), Блато (със Сливнишка река) и Лесновска река (с Елешница и Макоцевска река). Поради малките валежи и равнинния релеф речният отток е малък – 30 – 60 мм.
Софийската котловина е богата на минерални извори – Княжево, Горна баня, Панчарево, Банкя, София и други. Тези извори, както и това, че цялата област е предразположена към различни сеизмични колебания, се дължи на разломния характер на котловината. Има и голям брой езера и блата. От дълги години те са източник за набавяне на строителни материали (пясък, чакъл) за София. В миналото чрез зарибяване или по естествен път в тях са разселени ценни видове, като шаран, толстолоб, бяла риба, щука. Бреговете изобилстват с шавари и тръстика. Заради обилното обрастване и затлачването на по-плитките езера в района на Враждебна и Долни Богров те са се превърнали в недостъпни за риболов блата. Дъното на езерата е каменисто-песъчливо, покрито е с дебел слой тиня.
В Софийската котловина има находища на лигнитни въглища – Софийски въглищен басейн, които се намират близо до селата Балша и Кътина и град Елин Пелин. Те са с плиоценска възраст и са разположени на различна дълбочина – от 100 до 350 – 500 метра. Въглищата са нискокалорични – около 1600 ккал/кг на работно гориво. Не се експлоатират. Част от Софийския въглищен басейн е и находището на лигнитни въглища в землището на село Храбърско – Храбърски въглищен участък, който е в експлоатация.
Почвите в котловината са предимно чернозем-смолници, главно в ниското котловинно дъно, алувиално-ливадни по долините на реките и канелени горски в периферните, по-високи части.
Естествената растителност и животинският свят са силно повлияни от човека поради стопанската ѝ усвоеност. Голяма част от котловината е заета от обработваеми земи, в близост до населените места – зеленчукови и овощни градини, а в периферните по-високи части – пасища.
В южната централна част на котловината е разположена столицата на България София, в западната част градовете Сливница, Костинброд, Божурище, Банкя и Нови Искър, а в източната – градовете Елин Пелин и Бухово. Освен това има няколко десетки села, някои от които с доста голямо население, повечето от населението на които работи в столицата.
Софийската котловина се пресича от няколко важни транспортни артерии – пътища от Държавната пътна мрежа и жп линии:
