Karlbergskanalen utgör den nordvästligaste delen av ett kanalliknande vattenområde mellan Stockholmstadsdelarna Kungsholmen, Vasastaden och Norrmalm, samt Solna kommun. Vattenområdet förbinder mälarfjärdarna Riddarfjärden (i söder) och Ulvsundasjön (i nordväst). Den del av vattenområdet som utgör själva Karlbergskanalen har en längd på ca 400 meter och utgör en del av gränsen mellan Stockholms och Solna kommuner.
Vattenområdet omfattar utöver Karlbergskanalen även Klara sjö, Barnhusviken och Karlbergssjön. Vattenomsättningen är liten på grund av trånga förbindelser mot såväl Ulvsundasjön som Riddarfjärden.