Питание снеговое, грунтовое и дождевое. За весеннее половодье проходит 65 % годового стока. Средний многолетний расход воды в верхнем течении (деревня Барсуки) 5,8 м³/с, у Звенигорода 38 м³/с, в устье 150 м³/с. Сток реки увеличился примерно вдвое в 1937 году в связи с вводом в эксплуатацию канала имени Москвы. Переброска волжской воды в бассейн Москвы-реки идёт на обводнение самой реки (проектное количество — около 30 кубометров в секунду, фактическое с 2000 года — 26 кубометров в секунду), притока Яузы (по проекту — более 5 кубометров в секунду, фактически — менее 2 кубометров в секунду). Существенная часть волжской воды, 30-35 кубометров в секунду, идёт на водопотребление города — и затем, после очистки, также сбрасывается в Москва-реку. В 1978 году со вводом в эксплуатацию Вазузской гидросистемы началась дополнительная переброска стока верхней Волги через реки Вазуза и Руза в объёме 22 кубометра в секунду.

Река замерзает в ноябре — декабре, вскрывается в конце марта — апреле. Из-за сброса тёплых вод в черте города Москвы температура воды зимой в центре на 6 °C выше, чем на окраинах, и ледостав неустойчив.

Главная водная артерия города Москвы, длина в пределах города 80 км. Ширина реки внутри города меняется от 120 до 200 м, от самой узкой части возле Кремля до самой широкой вблизи Лужников. Принято считать, что скорость течения реки 0,5 м/с, но практически скорость течения полностью зависит от гидроузлов, при закрытых затворах достигая 0,1—0,2 м/с, а при открытых — 1,5—2 м/с. Глубина на участках выше Москвы до 3 м, ниже Москвы достигает 6 м, местами (выше Перервинского гидроузла) до 14 метров.

С истоком реки нет однозначности. Принято считать, что Москва берёт начало в Старьковском болоте на склоне Смоленско-Московской возвышенности у урочища Старьково Можайского района Московской области. Это болото на границе Смоленской и Московской областей иногда называют «Москворецкой лужей», а небольшой ручей, начинающийся в его северной части, местные жители называют Москвой-рекой. Начало ручья, на территории Можайского района Московской области, отмечено часовней, возведённой в 2004 году. В 16 км от истока Москва пересекает границу Смоленской области, проходя через Михалёвское озеро, которое некоторые специалисты считают началом реки (указывая, что впадающий в озеро ручей — это река Коноплянка). В город Москву река входит на северо-западе в районе Строгино и выходит из города на юго-востоке, пересекая МКАД у Бесединских мостов. В пределах Москвы река делает шесть больших излучин, в основании трёх из них прорыты каналы, спрямления (Хорошёво, Карамышево, Нагатино).

До постройки гидротехнических сооружений сток реки был подвержен сильным сезонным изменениям: летом её можно было переехать вброд, а весной периодически происходили наводнения, с максимальным зарегистрированным подъёмом уровня до 839 сантиметров в 1879 году. Уровень реки традиционно отсчитывался от «Московского нуля» — отметки около Данилова монастыря, имеющей высоту 116 метров над уровнем Балтийского моря. Нивелирная марка «7.77 саженей над уровнем Москвы» была восстановлена в 2004 году в стене часовни преподобного князя Даниила Московского, близ монастыря.

Прозрачность воды меняется от 2 метров в январе/феврале до 1 метра в мае, летом и осенью составляя около 1,5 метра.

Вследствие больших сезонных перепадов уровня реки судоходство было затруднено, а наводнения опасны, поэтому гидротехнические сооружения на Москве-реке появились в древности. В 1783—1786 годах вдоль излучины реки около Кремля был проложен Водоотводный канал с целью защиты от наводнений и ремонта мостов. В 1836—1837 годах для повышения уровня воды в реке были построены Бабьегородская плотина и Краснохолмский шлюз. Водоотводный канал в результате стал судоходным. В 1873 году образовалось «Товарищество Москворецкого туерного пароходства», поставившее своей целью развить водный транспорт на реке. Товарищество к 1878 году построило шесть плотин со шлюзами. Эти плотины (Перервинская, Бесединская (ныне им. Трудкоммуны), Андреевская, Софьинская, Фаустовская и Северская) обеспечили проход судов с осадкой до 90 см от устья реки до города Москвы. Ранее построенные плотины в 1930-х годах были перестроены, добавлена Карамышевская плотина, и разобраны за ненадобностью Бабьегородская плотина и Краснохолмские плотина и шлюз (последний сохранился в названиях Шлюзовой набережной и Шлюзового моста). Указанные плотины и образуют Москворецкую шлюзованную систему.

В 1930-х годах русло Москвы было существенно спрямлено в рамках частично реализованного плана обводнения города Москвы.

В 1932—1937 годах был построен канал Москва-Волга.

В 1968 году было открыто Нагатинское спрямление в районе Нагатино.

В итоге, Москва-река в пределах города фактически состоит из каскада русловых водохранилищ, образованных тремя гидроузлами: Перервинским, Карамышевским и им. Трудкоммуны. Сток Москвы выше города зарегулирован Истринским, Можайским, Верхне-Рузским, Рузским и Озернинским водохранилищами, а также гидроузлами около Петрово-Дальнего и Рублёво.

Из одиннадцати гидроузлов, построенных на реке, всего четыре имеют гидроэлектростанции: Можайская, Рублёвская, Карамышевская и Перервинская, при этом по бассейну реки построено ещё шесть миниГЭС (Верхне-Рузская, Рузская, Истринская, Озернинская, Горбовская и Сенежская станции). Суммарная мощность по бассейну превышает 15 МВт, а выработка 40 млн кВт·ч в год.

Через Москву-реку перекинуто более 50 мостов, из них более 20 в границах города Москвы. В черте города берега укреплены железобетонными стенками и блоками, облицованы гранитом.

Название Москвы — древнее, его происхождение спорно; существует большое количество гипотез относительно его возможного славянского, финно-угорского или балтийского источника (до славян, а также длительное время одновременно с ними в бассейне Москвы проживали финно-угорские и балтийские племена, оставившие заметный след в субстратной топонимии региона). Соответствия гидрониму Москвы имеются и в других славянских землях, например, река Московица (Московка), приток Березины; ручей Московець на Украине, река Mozgawa или польск. Moskawa в Польше и Германии. На этих территориях отмечен балтийский субстрат в гидронимии. В последние десятилетия особенно популярна гипотеза В. Н. Топорова, который возводит имя Москвы к древним балтийским формам Mask-(u)va, Mask-ava или Mazg-(u)va, *Mazg-ava от корней со значениями либо «топь», либо «извилистая (река)».

Этой гипотезе не противоречит и объяснение имени Москвы от родственного балтийским славянского слова москы, связанного с понятием «влага»; значение гидронима так или иначе устанавливается как «топкая, болотистая, мокрая (река)». Возможно, что нарицательное слово, лежащее в основе гидронима Москвы, относилось к лексике, возникшей в ранний период интенсивного балто-славянского языкового взаимодействия.

Название реки также выводят из двух финно-угорских слов ва («вода», «река» или «мокрый» во во многих языках, например, в мерянском, марийском, коми) и моск (муста — «чёрный, тёмный» в финском) — то есть дословно топоним можно перевести как «тёмная вода». Эта гипотеза объясняет части названия из разных языков, удалённых друг от друга.

Бассейн реки Москвы был заселён уже в каменном веке, о чём свидетельствуют неолитические стоянки в Крутицах, Коломенском, Алёшкине, Щукино, Серебряном Бору, Троице-Лыкове. Памятники бронзового века (фатьяновской культуры второго тысячелетия до н. э.) найдены в центре Москвы, в Дорогомилове, на Воробьёвых горах, в Андрониковом монастыре, в Давыдково, Зюзино, Алёшкино, Тушино.

С приходом железного века в середине первого тысячелетия до н. э. и изменением климата (лесостепи сменились на леса) в бассейне реки распространилось пашенное земледелие и образовались многочисленные осёдлые поселения. Так называемая дьяковская культура просуществовала здесь более тысячи лет с Ⅶ—Ⅵ веков до н. э. до Ⅵ—Ⅸ веков н. э. Эти — дославянские — городища и селища найдены вблизи села Дьяково (в районе Коломенского), на Воробьёвых горах, в Тушине, Кунцеве, Филях, на берегах Сетуни, в Нижних Котлах.

С Ⅷ века возникли славянские (вятичские) поселения на берегах Москвы-реки, Яузы, Неглинной, Сетуни, Раменки, Котловки, Чертановки, Городни. Так, появились городища на Самотёке, Лыщиково, Андроньевское, Обыденское; селища Яузское, Кудринское, в Нескучном саду, Головинское, Братеевское, Зюзинское, Матвеевское, Сетуньское. В те же годы образовались многочисленные группы курганных могильников (Филёвская, Матвеевская, Раменская, Очаковская, Крылатская, Тропарёвская, Ясенёвская, Черёмушкинская, Ореховская, Борисовская, Братеевская, Коньковская, Деревлёвская, Чертановская, Царицынская).

Река Москва с древности была важной транспортной магистралью, водно-волоковые пути связывали её с Новгородом и Смоленском, с Волгой и Доном.

Основные притоки: слева — Гнилуша, Руза, Яуза, Неглинная, Истра, Нерская, справа — Жужа, Городня, Сетунь, Коломенка, Северка, Пахра. Всего в Москву-реку впадают 362 речки и более 500 ручьёв; из них в границах города Москвы около 70 притоков, в основном заключённых в трубы и водосточные коллекторы. Крупнейшие из городских притоков (после Яузы, Неглинной, Сетуни и Городни): Сходня, Нищенка с Пономаркой (Чурилихой), Химка, Котловка, Чура, Таракановка, Пресня, Филька.

Качество воды в реке в пределах города Москвы и ниже по течению низкое, что частично обусловлено тем, что соотношение сточных и природных вод близко к 2:1 (то есть сточных вод больше, чем природных). После очистки сточные воды не удовлетворяют требованиям по содержанию органических веществ, нефтепродуктов и тяжёлых металлов. В воде реки в размерах, превышающих нормы, содержатся соли тяжёлых металлов, нефтепродукты, пестициды, фенолы. Наиболее загрязнены участки реки около Нагатино и Люблино, несколько меньше возле Щукино. В черте города Москвы выделяется три участка с разной степенью загрязнения:

• от входа в город до Крымского моста; участок традиционно является наиболее чистым
• центральная часть города в пределах Садового кольца, где качество воды по нефтепродуктам и металлам колеблется как в течение года, так и вдоль реки
• участок нижнего течения реки, где Курьяновская станция аэрации приводит к увеличению концентрации биогенных элементов (аммония, нитритов, фосфатов).

В целом на входе в город состояние воды характерезуется как «умеренно-загрязнённая», в центре «загрязнённая», в районе Перервинской плотины «умеренно-загрязнённая», на выходе из города «загрязнённая».

Радиационный фон Москвы-реки не повышен, радиационные параметры иловых отложений реки на уровне аналогичных параметров для почв.

Природоохранительными мероприятиями в бассейне реки занимаются три московские организации: ГУП «Мосводосток», МГУП «Мосводоканал» и ГУП ДЗ «Гидромост».

Москва-река судоходна на 210 км от устья. Навигация обычно продолжается с середины апреля до середины ноября. На реке расположены Южный речной порт, Западный речной порт и Южный речной вокзал, a на Химкинском водохранилище (технически, не на Москве-реке) — Северный речной порт и Северный речной вокзал.

Внутригородское пассажирское движение по Москве-реке происходит на трёх независимых участках, только один из которых (Новоспасский мост — Киевский вокзал) работает в течение всей навигации. Прогулочные теплоходы курсируют с середины апреля до второй половины октября, когда в связи с сезонным ухудшением погоды пассажиропоток существенно сокращается. Пущена в эксплуатацию круглогодичная линия, обслуживаемая пассажирскими судами ледового класса последнего поколения.

В черте города Москвы на реке имеется несколько пляжей. Наиболее известны пляжи в Строгино, Серебряном Бору, Троице-Лыкове, Рублёве. Купальный сезон обычно открывается 1 июня, заканчивается в среднем в середине августа, однако при теплой погоде может длиться и до начала сентября. Температура речной воды в июле около 22 °C.