В палеозое 300—400 миллионов лет назад вся эта территория была покрыта морем. Осадочные отложения того времени — пески, супеси, глины с линзами ила или торфа — покрывают мощной толщей (свыше 200 метров) кристаллический фундамент, состоящий из гранитов, гнейсов и диабазов. Современный рельеф образовался в результате деятельности ледникового покрова (последнее Валдайское оледенение было 12 тысяч лет назад). После отступания ледника образовалось Литориновое море, уровень которого был на 7—9 м выше современного. 4 тысячи лет назад море отступило и мели Финского залива превратились в острова. Долина сложена озёрно-ледниковыми и постледниковыми отложениями. В последние 2,5 тысячи лет рельеф почти не менялся.
Балтийско-Ладожский уступ поднимается от берега Финского залива на юг до высоты 70—80 метров ступенями, образуя на прибрежной равнине три террасы. Многочисленные небольшие речки и ручьи, берущие начало в источниках глинта, рассекают эти террасы и впадают в море. Берег Финского залива отлогий, с небольшими пляжами. Нижняя терраса всего в один километр шириной отделена от лежащей над ней второй террасой 20-метровым уступом[4].
Климат Петергофа умеренный и влажный, переходный от морского к континентальному. Продолжительность дня меняется от 5 часов 51 минуты 22 декабря до 18 часов 50 минут 22 июня. Для города характерна частая смена воздушных масс, обусловленная в значительной степени циклонической деятельностью. Летом преобладают западные и северо-западные ветры, зимой западные и юго-западные. Климат Петергофа аналогичен климату расположенного рядом Санкт-Петербурга. Финский залив, несмотря на мелководность, оказывает некоторое влияние на температурный режим города. Летом, особенно в августе—сентябре, средняя температура воздуха здесь немного выше чем в Санкт-Петербурге (на 0,5-0,8°), а зимой — ниже (на 0,5—0,6°). Несколько сильнее на побережье и ветры[5][6].
Годовые показатели температуры воздуха и осадков[5][7]:
До основания города территория была покрыта хвойными лесами (сосновые и еловые) с примесью широколиственных пород и низинными болотами. Сейчас в узкой прибрежной полосе Финского залива сохранились низинные болота с чёрной ольхой. Преобладают среднесуглинистые почвы. В результате интенсивной хозяйственной деятельности естественный ландшафт повсеместно уступил место культурному. Теперь здесь преобладают сельскохозяйственные угодья с небольшими участками вторичных осиновых и берёзовых лесов, сероольшанников и ивняков. В XVIII—XIX веках сложилась парковая зона Петергофа площадью 819 га (Нижний парк, Верхний парк, Парк Александрия, Пролетарский, Колонистский, Английский, Луговой, Сергиевка и другие)[8].