门头沟区位于北京城区正西偏南，地处东经115°25′至116°10′、北纬39°48′至40°10′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。该区属太行山余脉，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米左右的山峰有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、妙峰山等著名山峰。东部山地位于北京西山，山体较小、山势渐缓，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—黄草梁—棋盘山复背斜、百花山—清水尖—妙峰山复向斜、铁坨山—九龙山—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，平缓山地与陡峭山坡交替出现，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差异明显：年平均气温东部平原为11.7℃，西部斋堂一带为10.2℃；极端最高气温东部可达40.2℃，西部为37.6℃；极端最低气温西部为-22.9℃，东部为-19.5℃。春季约60天，夏季约76天，秋季约60天，冬季约169天，冬季漫长是境内气候的一大特征。春秋季节风霜频繁，年平均风速为2.7米/秒，8级以上大风有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，受中纬度大气环流不稳定和季风影响，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：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影响，其流量极不稳定；境内流域坡度陡、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%，水流湍急。上游流经黄土地区，河水含沙量较多，平原河道不断淤积迁徙，故史有“洋河”“小黄河”“无定河”之称，直至20世纪50年代修筑官厅水库后才改变其水文特征。清水河是永定河官厅山峡最大支流，为境内第二大河，上游分北支（发源于灵山）和南支（发源于百花山），两支于塔河口汇合，自西向东流向，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；北运河水系在境内有两部分，分别出境入昌平区和海淀区界。

境内地下水可分为4个区：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；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；千军台—清水涧—黄岭村一线以东地区水文地质情况复杂；清水河流域水资源较丰富，但水文地质情况复杂，地下水补给、埋藏和流动规律多样，水资源分布极不均匀。区内土壤属地带性褐土，分为山地草甸、山地棕壤、褐土等3大类、8个亚类、93个土种，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林和杨林，一般林地均为灌木林或杂木混交林，森林覆盖率在40%至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，村庄附近植被破坏较严重，覆盖率约20%至40%。

门头沟区地层主要由震旦亚界的蓟县系和青白口系、下古生界的寒武系和石炭系及二迭系、上古生界的侏罗系和第四纪的马栏组及百花山冰期堆积所构成。经过漫长地质变迁，境内形成了多种类型的矿床，现已探明包括煤炭、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，其中以煤和石灰石储量最大、分布最广。

门头沟历史悠久，周属燕国，秦、汉西部属上谷郡，东部属蓟县。唐天宝元年（742年）析蓟县置广平县，建中二年（781年）析蓟县西部置幽都县，五代广平县更名玉河县。辽开泰元年（1012年）幽都县更名宛平县，金贞元元年（1153年）玉河县并入宛平县。元大部分属大都路宛平县，明洪武元年（1368年）改属北平府，永乐元年（1403年）改属顺天府。1914年顺天府改置京兆地方，1928年宛平县划归河北省。1949年后历经区划调整，1958年5月京西矿区更名为门头沟区，沿用至今。

近年来，门头沟区在生态建设、乡村振兴、城市治理等方面取得显著成果。2020年获评第四批国家生态文明建设示范市县和第三批“绿水青山就是金山银山”实践创新基地，同年被重新确认为国家卫生城市。2022年获批国家森林城市和全国休闲农业重点县。2023年被确定为首批文化产业赋能乡村振兴试点。2025年被命名为全国双拥模范城（县）和第七届全国文明城市。根据北京市第七次全国人口普查结果（2021年公布），门头沟区人口数量为39.3万人，位于北京市各区人口数量排行榜第15位。