Зима в Москве умеренно холодная, но с оттепелями, которые могут составлять от 3—5 дней (2009—2010) до половины и более зимы. 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 и 19 см в 1924—1925 годах, самая снежная — в 2012—2013 годах (77 см) и 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. 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 был 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. 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). 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 столетие после сезона 2007-2008 по теплоте. Средняя температура трёх зимних месяцев составила -3,5 градуса.

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. Однако самой малоснежной зимой 2013—2014 годов максимальная высота снежного покрова (18 см) была отмечена 8 декабря. 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 у метеорологов климатической зимой) длится около 132 дней, начинаясь чаще всего в середине ноября и заканчиваясь во второй половине марта.

Средняя температура календарных зимних месяцев, норма 1981—2010
 

Показатель	Дек.	Янв.	Фев.	Зима
Ср.макс, °C	−3,0	−4,0	−3,7	−3,6
Средняя, °C	−5,2	−6,5	−6,7	−6,1
Ср.мин, °C	−7,6	−9,1	−9,8	−8,8

Зимний сезон	Дата первого заморозка (Тмин < 0)	Дата начала климатической зимы (Тср ≤ 0 °C более 5 дней)	Дата окончания климатической зимы (Тср ≥ 0 °C более 5 дней)	Общая продолжительность зимы, дней	Дата последнего заморозка
Средняя 1971—2000	29 сентября	7 ноября	28 марта	141 (4,7 мес.)	10 мая
2005—2006	19 сентября	2 декабря	29 марта	116 (3,9 мес.)	1 мая
2006—2007	15 октября	23 января 2007 года	2 марта	37 (1,2 мес.)	6 мая
2007—2008	12 октября	5 ноября	22 февраля	109 (3,6 мес.)	8 мая
2008—2009	3 ноября	10 декабря	28 марта	108 (3,6 мес.)	25 апреля
2009—2010	11 октября	5 декабря	26 марта	111 (3,7 мес.)	27 апреля
2010—2011	30 сентября	27 ноября	2 апреля	126 (4,2 мес.)	21 апреля
2011—2012	16 октября	20 декабря	3 апреля	114 (3,8 мес.)	14 апреля
2012—2013	12 октября	24 ноября	31 марта	127 (4,2 мес.)	23 апреля
2013—2014	27 сентября	27 ноября1	13 февраля	57 (1,9 мес.)	27 апреля
2014—2015	7 октября	16 ноября2	20 февраля	86 (2,9 мес.)

¹Перерыв в климатической зиме — 22 декабря 2013 — 11 января 2014

²В период с 22 по 26 октября среднесуточная температура была ниже 0 °C, при этом метеорологической зимы не наступило, поскольку, во-первых, данный период не превысил 5 дней, и последующий период среднесуточной температуры 27 октября — 15 ноября был продолжительнее по количеству дней и по абсолютному показателю превысил отрицательную аномалию. Перерыв в климатической зиме с 12 по 21 декабря.