Sadiq Khan hävdade att utbyggnaden av West Sussex flygplats var "det enda alternativet som faktiskt kan levereras".
Hans brev till Theresa May undertecknades av 30 partiöverskridande parlamentsledamöter från London, rådsledare och medlemmar i Londonförsamlingen.
Den hävdade att en andra landningsbana vid Gatwick skulle vara det "uppenbara valet" för huvudstaden och Storbritannien.
"Gatwick skulle inte bara kräva något offentligt stöd - en enorm faktor i vår nuvarande osäkra ekonomiska tider - men skulle ge Storbritannien alla fördelar av expansion samtidigt hålla vår luftkvalitet säker och inom lagliga gränser," Mr Khan sade.
I sitt inledningsanförande till den konservativa partikonferensen i Birmingham bekräftade May att regeringen " kort sagt skulle tillkännage" vilken flygplats som skulle få klartecken.
De utvalda alternativen är en tredje bana vid Heathrow, som utökar den befintliga norra banan och en andra bana vid Gatwick.
Londons borgmästare har skrivit till premiärministern i en sista vädjan om att en extra landningsbana ska byggas på Gatwick Airport, snarare än på Heathrow.