
Le territoire d'Athis-Mons s'étire entre le fleuve et le plateau, et cette dénivellation d'une cinquantaine de mètres structure la commune depuis son origine. La partie basse, celle de l'ancien village d'Athis, occupe la plaine alluviale et conserve un tissu de maisons anciennes et d'entrepôts liés autrefois à la navigation. La partie haute, celle de Mons, domine le fleuve et offre depuis le coteau un panorama sur la vallée. L'Orge rejoint la Seine à l'extrémité de la commune, au contact de Juvisy-sur-Orge, et cette confluence a longtemps commandé l'implantation des moulins et des activités de rive.
Les bords de Seine ont été occupés pendant plus d'un siècle par des activités de dépôt, de transbordement et de stockage de matériaux, héritage de la navigation marchande et de l'extraction de granulats dans la vallée. La reconversion progressive de ces emprises a permis d'ouvrir au public une partie du linéaire de rive, avec des chemins continus, des plantations et des accès depuis les quartiers bas. Le travail porte autant sur la promenade que sur la renaturation des berges, le remplacement des enrochements par des techniques végétales améliorant la qualité de l'eau et la vie du milieu. Les derniers tronçons restent coupés par des accès routiers et par des emprises ferroviaires, ce qui laisse à la promenade un caractère discontinu.
La plaine alluviale d'Athis-Mons est exposée aux débordements de la Seine, dont la crue de référence reste celle de janvier 1910. Un plan de prévention du risque d'inondation définit, dans la vallée, des zones où la construction est interdite et d'autres où elle est soumise à des prescriptions : cote plancher minimale, interdiction des sous-sols, matériaux insensibles à l'eau en partie basse, implantation des installations électriques hors d'atteinte. Ces règles s'imposent au plan local d'urbanisme et conditionnent les projets de renouvellement urbain des quartiers bas. Les crues de la Seine se forment lentement, sur plusieurs jours, ce qui laisse le temps d'une alerte et de mesures de sauvegarde, à la différence des crues rapides de petits cours d'eau comme l'Orge.
La Seine est à cette hauteur une voie navigable à grand gabarit, empruntée par des convois de plusieurs milliers de tonnes qui alimentent les chantiers et les plateformes de la région parisienne en granulats et en matériaux de construction, et qui évacuent une partie des déblais. Le transport fluvial reste l'un des arguments retenus pour les grands chantiers franciliens, un convoi remplaçant un grand nombre de poids lourds sur les routes de la vallée. Les usages de loisir se sont ajoutés à ce trafic marchand : promenade sur les chemins de halage, aviron et canoë sur les plans d'eau calmes, pêche réglementée depuis les berges accessibles. La baignade reste interdite dans ce secteur du fleuve, en raison du trafic et des conditions de courant.
Le franchissement de la Seine constitue, dans ce secteur de la vallée, la contrainte principale des déplacements entre les deux rives. Les ponts sont peu nombreux et concentrent la circulation locale et de transit, ce qui produit des saturations durables aux heures de pointe et complique les liaisons de bus. Le pont ferroviaire et les ouvrages routiers datent pour l'essentiel de la reconstruction d'après-guerre, plusieurs d'entre eux ayant été détruits en 1944, et leur entretien impose des interventions lourdes avec des circulations alternées. Les projets de liaisons douces portent sur des passerelles réservées aux piétons et aux cyclistes, moins coûteuses qu'un pont routier et capables de relier directement les quartiers de rive aux gares situées en face.