Состояние окружающей среды в Санкт-Петербурге, как и в других российских мегаполисах, далеко от идеального. Такие негативные факторы, как загрязнённость воздуха автомобильными выхлопами и песчано-солевой пылью, перенаселённость, шум — приводят к ухудшению качества жизни в городе и ухудшению состояния здоровья петербуржцев. Так, например, загрязнение атмосферного воздуха в Петербурге приводит к постоянному росту аллергических и астматических заболеваний у детей и вызывает проблемы со здоровьем у пожилых людей.
Петербург в 2013 году был признан одним из самых загрязнённых городов России. Выбросы в воздух составляли 488 тыс. тонн в год. По загрязнению атмосферы Петербург опережают лишь Норильск и Москва. Основным источником загрязнения являются автомобили, на их долю приходится 85,9 % выбросов.
Высокий уровень загрязнения атмосферного воздуха отмечается вблизи крупных автомагистралей и промышленных зон. Наибольший уровень загрязнения, в частности, диоксидом азота (до 3 ПДКмр) наблюдается в Адмиралтейском, Калининском и Красносельском районах; оксида азота (до 2,3 ПДКмр) — в Центральном и Красногвардейском районах, оксидов углерода (до 3,9 ПДКсс) — в Центральном, Приморском, Кировском и Невском районах. Кратковременные, но значительные концентрации бензола при неблагоприятных метеоусловиях наблюдаются во Фрунзенском (до 6,6 ПДКмр), Невском (до 5,5 ПДКмр), Красногвардейском (до 5,5 ПДКмр). На отдельных оживлённых перекрёстках ПДК может доходить до восьми. Загрязнение приземного слоя воздуха в большой степени зависит от погодных условий. В отдельные периоды, когда метеоусловия способствуют накоплению вредных веществ в приземном слое атмосферы, концентрации примесей в воздухе могут резко возрастать — возникает смог.
В Санкт-Петербурге действуют 21 автоматическая станция мониторинга атмосферного воздуха. Выбросы в атмосферу Санкт-Петербурга в 2009 году составили 625,3 тысяч тонн, в том числе: твердых веществ — 3,9 тысяч тонн, диоксида серы — 12,5 тысяч тонн, оксида углерода — 396 тысяч тонн, оксидов азота — 135,9 тысяч тонн, углеводородов (без ЛОС) — 2,7 тысяч тонн, летучих органических соединений (ЛОС) — 74,2 тысячи тонн. Плотность выброса на душу населения 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 %. Выбросы автотранспортных средств особенно опасны, потому что осуществляются в непосредственной близости от тротуаров в зоне активного пешеходного движения. В воздухе Санкт-Петербурга повышено содержание бензпирена, диоксида азота, фенола и формальдегида. Бензпирен является сильным канцерогеном, в частности, вызывает лейкозы, врождённые уродства. Механизм действия связан с встраиванием (интеркаляцией) его молекул в молекулы ДНК.
Сточная вода в Ленинграде начала очищаться только с 1979 года. Крупнейшими канализационными очистными сооружениями Петербурга являются: Центральная станция аэрации, Северная станция аэрации, Юго-Западные очистные сооружения. В 1997 году очищалось около 74 % сточных вод, а в 2005 — уже 85 %. К концу 2009 года Петербург очищал 91,7 % сточных вод. 10 октября 2013 года был введён в строй главный канализационный коллектор северной части города, благодаря чему на очистку стало направляться уже 98,4 % сточных вод. По словам руководителя Водоканала это должно было позволить уже в 2014 году разрешить купание на пляжах Финского залива. Однако по итогам проверки всех городских пляжей в мае 2014 года ни на одном из них состояние воды не соответствовало санитарным требованиям.
Забор воды из природных водных объектов в 2009 году составил 1267,7 миллионов м³ (96 % от предыдущего года), сброшено сточных вод 1233,3 миллионов м³ (в том числе без очистки 178,6 миллионов м³), ливневых вод 219,6 миллионов м³ (в том числе без очистки 92,4 миллионов м³). Сброс в 2009 году уменьшился на 80,1 миллионов м³ по сравнению с предыдущим годом за счет переключения выпусков в коллекторы, с последующей передачей стоков на очистные сооружения.
В пределах Санкт-Петербурга Нева загрязнена промышленными стоками, в реку сливают отходы сотни промышленных предприятий. По Неве активно транспортируются нефтепродукты. В реку ежегодно попадает более 80 тысяч тонн загрязняющих веществ. Вода из реки используется для водоснабжения и технических нужд. 73 % неочищенных загрязнений Санкт-Петербурга приходится на ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга», 27 % — на промышленные предприятия. Среди последних, по официальной статистике, больше всего загрязняют реки ТЭЦ-2, «Пластполимер» и «Обуховский завод». Каждый год Петербургский Комитет по природопользованию фиксирует в акватории Невы, в среднем, более 40 разливов нефтепродуктов. В 2008 году Роспотребнадзор Петербурга не признал пригодными для купания ни один пляж на Неве.
Экологическое состояние реки Невы, Невской губы и Финского залива является неудовлетворительным. Велико аномальное развитие патогенных бактерий, загрязнение ионами ртути и меди, хлорорганическими пестицидами, фенолами, нефтепродуктами, полиароматическими углеводородами. В связи с постройкой сооружений по защите Ленинграда — Санкт-Петербурга от наводнений произошло уменьшение водообмена Невской губы с восточной частью Финского залива на 10—20 %, что дало дополнительный вклад в увеличение концентрации биогенов в Невской губе. Наибольшие изменения происходят в придамбовой зоне на расстоянии менее 5 км от неё. Свой вклад дают неудачный выбор мест выброса северных и юго-западных очистных сооружений Санкт-Петербурга, высокая загрязнённость грунтов в некоторых районах Невской губы. Беспокойство вызывает начавшееся постепенное заболачивание мелководных частей Финского залива между Санкт-Петербургом и дамбой, поскольку ослабленные дамбой осенние штормы не способны уже в достаточной степени очищать дно Невской губы от поселяющихся там высших растений. Заболачивание и связанное с этим гниение остатков растений со временем может привести к дополнительной эвтрофикации водоёма и исключению из акватории обширных участков Невской губы (на которых, к тому же, в грунтах будет захоронено значительное количество вредных соединений).
В настоящее время в результате деятельности населения, организаций и предприятий Санкт-Петербурга ежегодно образуется 9,7 млн м³ или 1700 тыс. тонн твёрдых бытовых отходов. Эффективность управления системой обращения с отходами производства и потребления находится на низком уровне. Перерабатывается около 10 % отходов, раздельный сбор мусора на территории города до сих пор не налажен. В мае 2012 года городским правительством утверждена региональная целевая программа по обращению с твёрдыми бытовыми и промышленными отходами в Санкт-Петербурге на период 2012—2022 годов.
Санкт-Петербург занимает пятое место среди шумных мегаполисов мира, средний показатель шума в городе выше нормы и составляет 60 децибел. Этот относительно невысокий (по сравнению с Москвой) показатель специалисты связывают с тем, что в пределах Петербурга есть довольно тихие районы: Курортный, Пушкинский, Выборгский, Кронштадтский и Колпинский. Самыми шумными районами города считаются: Адмиралтейский, Центральный, Петроградский, Фрунзенский, Кировский и Красносельский. Зоны, где уровень звука превышает норму на 10—15 децибелов, расположены рядом с главными городскими проспектами — Московским, Стачек, Лиговским, Невским, кольцевой автодорогой, железной дорогой, микрорайоны рядом с промзонами и часть юго-запада, которая примыкает к аэропорту. Микрорайоны «Ульянка», «Лигово» и «Сосновая Поляна» страдают от шума самолётов, взлетающих и прибывающих в аэропорту Пулково.
В случае аварии потенциальную опасность для города может представлять Ленинградская АЭС, расположенная в 80 км от Петербурга, в котором преобладают западные ветры.
В 2011 году генеральным планом развития Санкт-Петербурга планировалось расширить список из семи объектов — 3 государственных природных заказника: «Юнтоловский», «Гладышевский», «Северное побережье Невской губы» и четыре памятника природы («Дудергофские высоты», «Комаровский берег», «Стрельнинский берег», «Парк Сергиевка»), ещё на пять заказников и два памятника природы. По состоянию на май 2017 года существовало 15 особо охраняемых природных территорий. Были добавлены 2 памятника природы — (Елагин остров, Долина реки Поповки) и 5 заказников — (Западный Котлин, Сестрорецкое болото, Озеро Щучье, Петровский пруд, Южное побережье Невской губы). Кроме того, 10 объектов рекомендовано к внесению в перечень ООПТ.
С 2005 года в городе за счет бюджетного финансирования была начата реализация экспериментальной методики ОСВВ, подразумевающей свободное нахождение безнадзорных собак на улицах. В 2017 году, по данным вице-губернатора Анны Митяниной, спустя 12 лет после начала гуманной программы, собаки, в том числе бродячие, покусали около 9000 жителей Петербурга. По мнению биолога, координатора Движения реалистической зоозащиты Владимира Рыбалко, проведение мероприятий ОСВВ в Санкт-Петербурге привело к всплеску догхантерства и к массовой самовольной потраве собак жителями. В 2018 году финансирование ОСВВ из городского бюджета составляло 29,4 млн руб.(в 2017 году — 28 млн руб.). В том же году местная активистка Светлана Антонова выиграла иск у правительства Санкт-Петербурга, требуя изменить программу по регулированию численности бездомных животных. По её мнению, стерилизация безнадзорных собак не работает, более гуманным и эффективным способом является усыпление. По мнению активистки, программа ОСВВ, нарушает 42 статью Конституции РФ «О праве человека на благоприятную окружающую среду».