A principal característica geográfica do distrito de Coimbra é o vale do rio Mondego, que domina a paisagem em todo o ocidente do distrito e constitui, com os vales de dois dos seus afluentes, o rio Alva e o rio Ceira, as principais características da zona oriental. O distrito divide-se, pois, em duas metades:
A ocidente estende-se uma planície costeira, atravessada, a sul, pelo curso inferior do Mondego. Esta área prolonga a planície costeira do distrito de Aveiro e tem a maior altitude (252 m na serra da Boa Viagem, perto do Cabo Mondego, junto à Figueira da Foz. A oriente, pelo contrário, entra-se na serra. No noroeste desta área, o relevo ainda não é muito pronunciado, com a serra do Buçaco a atingir apenas 549 m de altitude. Mas a sueste domina a cordilheira central, com a serra da Lousã a subir até aos 1 205 m de altitude, e a serra do Açor até aos 1 418 m. O distrito termina em plena vertente ocidental da serra da Estrela, a pouco mais de 10 km das maiores altitudes do território continental português.
O Mondego domina a hidrografia, correndo de nordeste para sudoeste no curso superior e de leste para oeste no curso inferior, onde está rodeado de terrenos alagadiços. Todo o distrito está integrado na sua bacia hidrográfica, à excepção do litoral norte e da extremidade sueste, e todos os outros rios principais são seus afluentes. O rio Pranto vem do distrito de Leiria e desagua no rio Mondego próximo da sua foz. O rio Alva atravessa a zona oriental do distrito, de leste para oeste, o mesmo fazendo o rio Ceira, um pouco mais a sul. O rio Dueça também conhecido por rio Corvo, por sua vez, corre de sul para norte, indo desaguar no rio Ceira muito perto de Coimbra, e o mesmo fazem o rio Soure, mais conhecido por Rio Arunca a ocidente, e o rio Pranto, também conhecido por ribeira de Carnide, ainda mais a oeste. Todos estes rios são afluentes da margem esquerda do Mondego, que quase não tem afluentes na margem direita, no distrito de Coimbra. As exceções são um pequeno rio que nasce no Buçaco, o Botão e o rio Foja. No sueste do distrito, a ribeira da Pampilhosa é afluente da margem direita do rio Zêzere, e o seu vale já vai, portanto, pertencer à bacia do Tejo. O próprio Zêzere serve de limite com o distrito de Castelo Branco.
No Mondego existe uma grande barragem, a barragem da Aguieira, que serve de fronteira com o distrito de Viseu, e uma outra, bastante mais pequena: a barragem da Raiva. No Alva existe a barragem do Rei de Moinhos e a barragem de Fronhas. O Ceira é represado pela barragem do Alto de Ceira e pela barragem de Monte Redondo. E, para completar a lista de barragens, a barragem de Santa Luzia represa a ribeira da Pampilhosa e a albufeira da barragem do Cabril, no rio Zêzere, ainda pertence em parte ao distrito de Coimbra.
A costa litoral é em geral arenosa e baixa, com excepção do Cabo Mondego. Para norte estendem-se dunas extensas, que se prolongam vários quilómetros para o interior, semeadas de pequenas lagoas. A porção mais a norte do litoral do distrito, no concelho de Mira, é já uma parte afastada do sistema lagunar da ria de Aveiro, e quase todo o noroeste do distrito é drenado para a ria de Aveiro–rio Vouga.
Apenas quatro concelhos de Coimbra não limitam com outros distritos: Miranda do Corvo, Montemor-o-Velho, Condeixa-a-Nova e Vila Nova de Poiares.
