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.