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。山地面积占98.5%,是北京市唯一的纯山区，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℃。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，2009年全区平均降雨量为329.76毫米，多年平均528.70毫米。

　　永定河由西北向东南贯穿门头沟区，境内全长101.8公里。全区分属永定河、大清河和北三河3个水系，永定河水系流域面积1368平方公里，大清河水系流域面积66.9平方公里，北运河水系流域面积14平方公里。清水河是永定河在门头沟区境内的支流，为境内第二大河，河道全长28.1公里，流域面积548平方公里。2009年对全区主要部位进行水质抽检，主要河道水体均好于Ⅲ类水质；评价结果是：地下水抽检38件，其中好于Ⅲ类水质的水源井28眼，劣于Ⅳ类水的水源井10眼。“十一五”期间，门头沟区建成生态清洁型、景观旅游型、农业观光型等各类清洁小流域19条、生态整治工程164处，完成498平方公里治理任务。

　　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。