В пределы г. Москвы Москварека вступает на северо-западе, в районе Строгино, на расстоянии 320 км от устья и покидает город на юго-востоке, пересекая МКАД у Бесединского моста. Долина реки хорошо разработана и кроме поймы имеет три надпойменные террасы. Большая извилистость реки (четыре большие, частично врезанные излучины — у Серебряного бора, у Фили-Кунцевского лесопарка, в районе Краснопресненской и Лужнецкой набережных) не только увеличивает протяжённость Москвы-реки в 2,5 раза (однако судоходный путь на 10 км короче из-за спрямления русла в районах Серебряного бора, Карамышева и Нагатина), но и создаёт особую живописность её долины. Контрасты высокого подмытого левобережья и низменного правобережья — Замоскворечья, а также Кремль, возвышающийся на Боровицком холме придают городу запоминающийся облик.

В черте г. Москвы принимает около 70 притоков (большая часть их заключена в трубы и в городские водосточные коллекторы). Крупнейшие из них: Яуза, Сходня, Сетунь, Городня, Нищенка с Чурилихой, Химка, Неглинная, Котловка, Чура, Таракановка, Пресня, Филька. По правому берегу реки довольно живописны Строгинский залив, а также Щукинский полуостров; в рельефе выделяются лесопарк «Фили-Кунцево», Воробьёвы горы, Нескучный сад, Коломенский и Дьяковский холмы и Татаровские высоты. По левому берегу сохранились низовья р. Химки, Соболев овраг, Серебряный бор, естественные участки пойм (Татаровской, Тушинской, Строгинской, Мневниковской и др.) и Карамышевская набережная. Здесь находятся под охраной ценные геологические, гидрогеологические и биологические объекты, в том числе объявленные памятниками природы. 

Ширина русла в пределах города колеблется от 120 до 200 м; самая узкая часть — в районе Кремля; самая широкая — в районе Лужников. Скорость течения при закрытых плотинах гидроузлов 0,1—0,2 м/с, при открытых — 1,5—2 м/с. Наибольшая глубина выше Москвы до 3 м, ниже Москвы до 6 м.