Ожидается, что центром их переговоров станет конфликт в Сирии.
Расхождения во взглядах на сирийскую проблему еще более осложнили и без того непростые отношения между двумя странами.
Россия оказывает поддержку режиму Башара Асада, в то время как Британия его осуждает.
Перед началом саммита Кэмерон также проведет переговоры с президентом США Бараком Обамой.
Россия четко дала понять, что не очень доверяет заявлениям США, Великобритании и Франции о фактах применения правительственными войсками Сирии химического оружия против повстанцев.
На прошлой неделе власти США заявили, что применение химоружия было "красной чертой", пересечение которой режимом Асада стало основанием для предоставления вооружений повстанцам.
Возможность найти консенсус
Кэмерон считает, что необходимо оказывать большую помощь сирийской оппозиции, но отмечает, что решение о поставках вооружений Британией не принято.
Москва в свою очередь может начать ранее запланированные поставки средств противовоздушной обороны сирийскому режиму.
Корреспондент Би-би-си по вопросам международных отношений Джонатан Маркус считает, что лидеры двух стран могли бы построить свою беседу вокруг вопросов, по которым возможно найти консенсус.
Это, в частности, тема о переходе власти в Сирии и о подготовке международной конференции в Женеве по урегулированию конфликта. Но вероятность созыва подобной конференции меркнет с каждым днем, сообщает корреспондент.
Бывший британский посол в России сэр Эндрю Вуд сказал в интервью Би-би-си, что не ожидает от встречи Кэмерона чего-то грандиозного, но все равно "важно, чтобы Путин услышал то, что ему бы не хотелось слышать".
"Я думаю, самое большее, что (Кэмерон) может добиться от этой встречи, это то, что российский президент по крайней мере будет понимать, почему британцы и многие другие их западные союзники смотрят на ситуацию так, а не иначе".
