传统的城市地理学，主要是通过实地调查和文献查阅，对城市或区域运用历史比较法、地理比较法以及综合分析法进行研究。随着现代学科间的交叉和渗透，新科学方法论的出现，以及数学方法和计算机等技术手段的普遍使用，城市地理的研究方法大大增加了。
比如：数量方法——应用数学方法加工处理反映空间关系的信息和数据，模拟空间关系的状况和过程；行为科学方法——分析城市居民对城市环境的感知、评价、直至决策的空间行为过程；系统分析方法——把城市体系作为一个动态的复杂系统，用定性定量相结合的方法对它进行分解和简化，确定大系统和子系统所要实现的目标和制约条件，探讨系统的最优结构和功能；城市信息系统方法；空间抽样调查方法等等。
此外，地图是地理研究的传统工具。航空像片和卫星像片在城市地理研究之中的应用，则有助于掌握城市随时间变化发生的空间演变。
当代世界城市化方兴未艾，并出现郊区化现象，城市人口比重和城市数目不断增大，人口向大城市集中的程度进一步加剧，城市机体也越来越复杂，使得各国政府在城市再开发和人口再分布的决策上面临许多难题。城市地理学从空间方面探索城市发展的规律，对城市建设的决策具有实际意义。
城市是现代社会生活的重心，是它所在地区经济恬动的中心。城市的影响范围，在很大程度上显示了不同等级的经济区的轮廓。一国一地区城镇体系的功能结构，体现了国家和地区经济地域组织的若干特征。因此，区域城市地理研究也是区域规划的重要资料来源。