По данным Министерства природных ресурсов и экологии Российской Федерации, в экологическом рейтинге крупных городов России за 2011 год Санкт-Петербург занял второе место. В городе действует 21 автоматическая станция мониторинга атмосферного воздуха. Выбросы в атмосферу в 2009 году составили 625,3 тысячи тонн. Количество выбросов вредных веществ на душу населения составляет 135,9 кг в год, на единицу площади — 434,5 т на км². 91,9% всех выбросов даёт транспорт. В 2009 году, по сравнению с предыдущим годом, количество выбросов увеличилось на транспорте на 1 %, от стационарных источников — на 9,8 %.

Экологическое состояние реки Невы, Невской губы и Финского залива неудовлетворительно. В пределах города Нева загрязнена промышленными стоками, в неё сливают отходы сотни промышленных предприятий. По Неве активно транспортируются нефтепродукты. В реку ежегодно попадает более 80 тысяч тонн загрязняющих веществ. Каждый год Петербургский Комитет по природопользованию фиксирует в акватории Невы в среднем более сорока разливов нефтепродуктов. В 2022 году Роспотребнадзор Петербурга из 24 пляжей на территории города признал пригодными для купания только два. В 2009 году в городе образовалось 8 миллионов м³ твёрдых бытовых отходов. Промышленность является источником разнообразных отходов производства, значительная часть которых представляет серьёзную опасность для окружающей среды. Отходы I—III классов до 2014 года свозились для утилизации токсичных отходов, продуктов деятельности химических, медицинских, промышленных предприятий на полигон «Красный Бор» (30 км к югу от города в Тосненском районе Ленинградской области).

В связи с вводом в строй сооружений по защите Санкт-Петербурга от наводнений произошло уменьшение водообмена Невской губы с восточной частью Финского залива на 10-20 %, что дополнительно увеличило концентрацию биогенов в Невской губе. Свой вклад даёт неудачный выбор мест выброса северных и юго-западных очистных сооружений и высокая загрязнённость грунтов в некоторых районах Невской губы. Беспокойство вызывает начавшееся постепенное заболачивание мелководных частей Финского залива между городом и дамбой и связанное с этим гниение остатков растений, которое со временем может привести к дополнительной эвтрофикации водоёма и исключению из акватории обширных участков Невской губы, в грунтах которых к тому же будет захоронено значительное количество вредных соединений. Проблемы могут возникнуть и в связи с созданием новых крупных намывных территорий в акватории Невской губы со стороны Васильевского острова. По информации Росгидромета, это может создать угрозу наводнения в городе при закрытой дамбе из-за уменьшения времени её заполнения.

По прогнозам НИПЦ Генплана Санкт-Петербурга к середине XXI века климат города может измениться с текущего влажно-континентального на морской со средними температурами в январе от −5 до +2 °C. Ближайший к Петербургу похожий регион с морским климатом — в Дании.