海淀区的南部在北二环马路的中心线，北部在北六环附近。
海淀区位于北京城区和近郊区的西部和西北部，与朝阳区、西城区、宣武区、丰台区、石景山区、门头沟区和昌平区接壤，区域面积为426平方千米，约占北京市总面积的2.53%。辖区呈不规则平行四边形，东、西两边长于南、北两边。东极点河北村与西极点阳台山相距约29千米，北极点双塔村与南极点吴家场相距约30千米。
海淀区大地构造上处于阴山东西复杂构造带南缘、祁吕一贺兰山字形构造东翼反射弧与新华夏构造带交接部位，西部山区为北京西山隆起带，东部平原为北京平原沉降带，地质构造发育、构造形迹复杂，岩浆活动频繁。
海淀地区除缺失太古界、震旦亚界、上奥陶统、志留系、泥盆系、下石炭统、白垩系地层外，其余从寒武系到第四系地层均有分布，岩性较齐全，沉积岩、岩浆岩、变质岩三大类均有出露。