门头沟区位于北京城区正西偏南，东经115°25ˊ00〞～116°10ˊ07〞，北纬39°48ˊ34〞～40°10ˊ37〞之间。东西长约62公里，南北宽约34公里，总面积1447.85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，西部与河北省涿鹿县、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。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。东部山地位于北京西山，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：东灵山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、阶梯状上升。
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％，故水流湍急。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20世纪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。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，一在雁翅镇泗家水、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。
境内地下水可分为4个区：一是田庄——雁翅——青白口——石河村一线以北地区，以灰岩岩溶裂隙水溶洞水为主，总出水量3.63万吨/日；二是髽髻山——妙峰山地区，均为火山岩、砂岩裂隙水，总出水量2.908万吨/日；三是千军台——清水涧——黄岭村一线以东地区，水文地质情况复杂；四是清水河流域，水资源较丰富，因流域内水文地质情况复杂，地下水的补给、埋藏和流动规律也多种多样，水资源的分布极不均匀。门头沟区的土壤属地带性褐土，分为山地草甸、山地棕壤、褐土等3大类，8个亚类，93个土种。其中分布面积较广的有山地棕壤、山地淋溶褐土、碳酸盐褐土。境内植被属于暖温带落叶、阔叶林类型，仅在深山区有残存的次生桦、杨林，一般林地均为灌木林或杂木混交林，森林覆盖率在40%-60％之间。灵山、黄草梁等山顶地区，因气候寒冷，多为草坡，以白草为主。村庄附近植被破坏严重，一般覆盖率约20%-40％。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：煤炭、石灰岩、玄武岩、辉绿岩、陶粒页岩、耐水粘土、大理石、花岗石、叶腊石、白云岩、硅石、白花玉、紫页岩、石棉、冰洲石、天然石板、铜、锌、铝、铁、金、银等等。其中以煤、石灰石储量大，分布广。