Зима в Москве умеренно холодная, но с оттепелями, которые могут составлять от 3—5 дней (2009—2010) до половины и более зимы. При этом оттепели обычно слабые, не выше 0..+2 градусов, благодаря чему снежный покров в Москве сохраняется на протяжении всей зимы (если не брать в расчет аномально теплые зимы последнего десятилетия), в отличие, например, от Петербурга, где выносы тепла с Атлантики более мощные. Самая холодная зима со средней температурой −16,8 °C отмечалась в 1892—1893 годах, тогда температура января составила −21,6 °C, самая тёплая зима со средней температурой −2,8 °C была отмечена в 1960—1961 годы. Наименьшее число оттепелей (3) было в зимы 1928—1929 и 1940—1941 годов, наибольшее (53) в зиму 1988—1989 годов. Самая малоснежная зима с максимальной высотой снежного покрова 18 см была в 2013—2014 годах, самая снежная — 1993—1994 годах (78 см). Самая сухая зима отмечалась в 1890—1891 годах, когда выпало 27,4 мм осадков. Самый низкий максимум календарной зимы (+1 °C) отмечался зимой 1940—1941 годов, самый высокий максимум (+9,6 °C) — зимой 2008—2009 годов. Самая мягкая зима с минимумом −18,3 °C отмечалась в 2007—2008 годах, самый низкий минимум зимы (−42,2 °C) отмечался в зиму 1939—1940 годов. Самая высокая температура за холодный период года, с ноября по март была в 2013—2014 годах (−1 °C) и в 2006—2007 годах (−1,1 °C). Ниже −40 °C температура опускалась в зиму 1891—1892, 1939—1940, 1941—1942 годов и,по неофициальным данным,31 декабря 1978 года. С 1888 по 1895 год, 8 лет подряд, каждый год температура в Москве опускалась ниже −30 °C. В текущем веке декабрь 2001 года, декабрь 2002 года, январь 2010 года в Москве были без оттепелей.
Чаще всего оттепели случаются в первой половине зимы (в этом случае они нередко являются частью поздней осени) — например, декабрь 2006, 2008, 2011, 2013, 2014, 2015. Погода часто неустойчива, особенно в январе (например, среднесуточная температура всего за 2—3 дня может упасть с −5 до −20 °C и затем примерно за такой же срок вновь подняться до −5 °C, как было например в начале января 2002, 2003, в феврале 2001, 2003 и 2007, и в конце ноября — начале декабря 2010-го), но в отличие от других сезонов, суточные колебания температуры невелики — разница между дневной и ночной температурами чаще всего не превышает 5 градусов (в отличие от «летних» 10—12). Случаются периоды аномально тёплой погоды (2-ая половина февраля 2002, январь 2005, декабрь 2006 — январь 2007, конец февраля 2008, начало декабря 2008 и 2009, декабрь 2011, декабрь 2013, февраль 2014, середина декабря 2014, декабрь 2015). Январь 2007 года в Москве выдался рекордно тёплым — это единственный январь, когда температура повышалась более чем до +5,6 °C, а 11 числа был установлен абсолютный максимум температуры в январе, +8,6 °C, что соответствует началу апреля. Но в большинстве зим наступают и затяжные морозы (от 1—2 до 4—5 недель), когда активность Атлантики спадает, и на Европейскую территорию России смещается гребень мощного сибирского или арктического антициклона. Тогда температура по ночам может опускаться ниже −25 °C, а днём редко поднимается выше −10 °C (декабрь 2001, 2002, 2012; начало января 2003 года; 2-я половина января — февраль 2006, 2010, 2011, 2012).
За последние года, один из самых продолжительных периодов без оттепелей был в начале 2010 года: морозы пришли в Московский регион 29 декабря 2009 года и держались почти 2 месяца — до 24 февраля 2010 года. Ещё более суровые морозы были в январе 2006 года: 18 января температура опускалась до −30,4 °C, 19 января — до −30,8 °C, что является самой низкой температурой в текущем веке, они стояли 4 недели (с коротким перерывом в конце января).
В Московской области температура в середине января 2006 года опускалась местами до −37 °C. В 2011—2012 гг. первая половина зимы была аномально тёплой: температура колебалась от −7 до +8 °C, было установлено несколько суточных рекордов, а в 3-ей декаде января 2012 года начались морозы (среднесуточная температура была ниже −10 °C). Значительные холода стояли до 18 февраля, а во 2-ой половине февраля снова был небольшой период оттепелей. Всё же обошлось без новых рекордов минимальной температуры, хотя 13 февраля до рекорда не хватило 0,8 градуса (температура на ВВЦ опускалась до −28,5 °C, в то время как на западе Московской области температура местами опускалась ниже −35 °C). Почти половина всех зимних рекордов максимальной температуры приходится на период 2002—2011. Более того, в последнее время наметилась тенденция к более тёплому декабрю и январю и более холодному февралю, хотя зимой 2012—2013 наиболее холодным был декабрь (который стал самым холодным за последние 10 лет и самым солнечным в XXI веке с продолжительностью солнечного сияния 44,3 часов), а наиболее тёплым — февраль. Но уже зимой 2013—2014 период с 17 декабря по 12 января был аномально теплым (среднесуточная температура ежедневно превышала норму более, чем на 3 градуса). Новый год Москва встретила почти без снежного покрова (СП): на метеостанции ВВЦ высота СП не превышала 3 см в последних числах года, а в центре города (на м/с Балчуг) СП и вовсе отсутствовал. Москвичи в шутку называли Новый Год «весенним» праздником. На ВВЦ 11 января 2014 года снег также полностью сошел, но уже с 12 января началось постепенное похолодание, и СП вновь немного увеличился. Однако, из-за малого количества осадков и частых оттепелей в феврале, к концу месяца снег также практически весь сошёл: 25 февраля его высота на ВВЦ составила всего 1 см. В этом же феврале 2014 года в Москве был отмечен Месячный минимум относительной влажности воздуха: 18%. Тёплым была 2 декада декабря 2014 года, когда 20 числа в Москве был на 0,2 градусов превышен прежний исторический максимум суток, температура повысилась до +4,9 °C на ВДНХ и +5,2 °C на ТСХА. Тёплым выдался январь 2015 года, средняя температура которого и количество осадков оказались самыми высокими за последние 8 лет, когда 15 числа в Москве был повторён рекорд максимальной температуры 1993 года, +3,1 °C, и начало февраля 2015 года, когда 1 февраля температура в Москве повысилась до +3,1 °C, перекрыв на 0,1 градуса рекорд 1914 года. Зима 2014—2015 заняла второе место в 21 столетии после сезона 2007—2008 по теплоте. Средняя температура трёх зимних месяцев составила -3,5 градуса. А декабрь 2015 года и вовсе имел положительную среднемесячную температуру.
Снежный покров устойчивый и обычно не превышает 60 см. Но бывали годы, когда устойчивый снежный покров устанавливался только в январе, а максимальная высота снежного покрова нередко бывает в марте. Так высота снега составила 78 сантиметров в марте 1994 года [1]. Однако самой малоснежной зимой 2013—2014 годов максимальная высота снежного покрова (18 см) была отмечена 8 декабря. Зимой 2015-2016 годов сложилась уникальная ситуация: к концу февраля снежный покров был минимальным, однако 2 марта город накрыл сильнейший снегопад, в результате чего высота снежного покрова достигла 50 см.
Осадки выпадают преимущественно в виде снега, но возможен дождь, что часто наблюдалось в последние годы. Возможны и грозы, чаще всего в декабре. Период со среднесуточной температурой ниже 0 °C (что и считается метеорологической зимой) длится около 132 дней, начинаясь чаще всего в середине ноября и заканчиваясь во второй половине марта[6], однако в последние годы нередки и короткие (1-2 мес.) метеорологические зимы с конца декабря-начала января до февраля-начала марта.