门头沟区位于北京城区正西偏南，东经115度25’00"至116度10’07"，北纬39度48’34"至40度10’37"之间。东西长约62公里，南北宽约34公里，总面积1455平方公里。其东部与海淀区、石景山区为邻，南部与房山区、丰台区相连，西部与河北省琢鹿县、涞水县交界，北部与昌平区、河北省怀来县接壤。属太行山余脉，地势险要“东望都邑，西走塞上而通大漠”，自古为兵家必争之地。
门头沟区地处华北平原向蒙古高原过渡地带，地势西北高，东南低。地形骨架形成于中生代的燕山运动。境内总面积的98．5％为山地，平原面积仅占1．5％。西部山地是北京西山的核心部分，山体高大，层峦叠嶂，海拔1500米左右的山峰160余座。西北部的灵山海拔2303米，有“京都第一峰”之称，另有百花山、髽髻山、妙峰山等山峰。东部山地处于北京西山边缘，山体较小，山势渐缓，其东南部的兔儿庄海拔仅73米，为境内最低点。区内3条主要岭脊均呈东北向平行排列，自西北至东南依次为：黄花梁一黄草梁一棋盘山复背斜；百花山一清水尖一妙峰山复向斜；铁坨山一九龙山一香峪梁复向斜。由于山地切割严重，各岭脊之间形成大小沟谷300余条。平缓的山地与陡峭的山坡交替出现，地形呈锯齿状、阶段性上升。
门头沟区属中纬度大陆性季风气候，春季干旱多风，夏季炎热多雨，秋季凉爽湿润，冬季寒冷干燥。西部山区与东部平原气候呈明显差异。年平均气温东部平原11．7℃，西部斋堂一带10．2℃。极端最高气温东部40.2℃，西部37．6℃。极端最低气温西部-22．9℃，东部-19.5℃。春季60天，夏季76天，秋季60天，冬季169天，冬季漫长是境内气候的一大特征。春秋季节，境内风、霜频繁，年平均风速为2，7米/秒，8级以上大风21次，年平均无霜期200天左右，江水河村一带无霜期仅100天。日照时数较多，年平均日照2470小时。降水量自东向西逐渐减少，受中纬度大气环流的不稳定和季风影响，降水量年际变化大，最多为970．1毫米(1977年)，最少为377．4毫米(1997年)，年平均降水量约600毫米。
流经境内的河流分属3个水系，其中属海河水系的永定河流域面积最大，为1368．03平方公里；属大清河水系的白沟河流域的面积次之，为73．2平方公里；属北运河水系的流域面积最小，仅为13．82平方公里。永定河是全区最大的过境河流，河道长100余公里，主要支流有刘家峪沟、湫河、清水河、下马岭沟、清水涧、苇甸沟、樱桃沟、门头沟等，大小支流共300余条。由于受上游降水不均匀的影响，其流量极不稳定。境内流域范围坡度陡，河道坡降大，入境处海拔373米，出境处为73米，河道坡降为2．99％，固水流湍急。加之上游流经黄土地区，河水含沙量较多，平原地区的河道不断发生淤积，迁徙不定，故史有“洋河”“小黄河”“无定河”之称。直至50年代修筑了官厅水库后，才改变永定河的水文特征。清水河是永定河官厅山峡最大支流，为境内第二大河。上游有两支，北支发源于灵山，南支发源于百花山，两支于塔河口汇合，始称清水河。其流向自西而东，河道全长28公里。大清河水系的白沟河境内流程较短，出境后入房山区界。北运河水系，境内有两部分，一在雁翅镇泅家水、白瀑寺一带，出境入昌平区界；一在军庄镇北四村，出境入海淀区界。
门头沟区地层主要由震旦亚界的蓟县系和青白口系，下古生界的寒武系、石炭系、二迭系，上古生界的侏罗系和第四纪的马栏组、百花山冰期堆积所构成。经过漫长的地质变迁，境内形成了多种类型的矿床，现已探明的有：煤歼、石灰岩、玄武岩、辉绿岩、陶粒页岩、耐水粘土、大理石、花岗石、紫砚石、白云岩、硅石、白花玉、紫页岩、石棉、冰洲石、天然石板、煤歼石、铜、锌、铝、铁、金、银等等。其中以煤、石灰石储量大、分布广。
