位于北京西部，境内高山峻岭连绵起伏，气势磅礴。巍巍的山峰自西北向东南排列，矗立在北京的西部。为此，人们把门头沟区称做“首都西部的天然屏障”。门头沟区东、南与石景山区、丰台区、房山区接壤，西、北与河北省涞水县、涿鹿县、怀来县和北京市昌平县、海淀区为邻。

多山，是门头沟区的一个显著自然特点。全区总面积1455平方公里，山区占去了96％。在众多的山峰里，有全市了高峰在灵山，有风景秀丽的百花山，还有盛产玫瑰的妙峰山等。灵山和百花山的高度分别为海拔2303米、1991米，都超过了全国著名的泰山、黄山、庐山。5月份正是北京城内绿树成荫、百花盛开的初夏季节，而这两座山的山顶上却还是雪花飘舞，寒气袭人。在这两座山的山腰上，覆盖着华北地区少见的森林，茂密的森林里生长着桦树、杨树、落叶松等耐寒树木，山顶上是繁茂的高山草甸。百花山在盛夏时节，山坡上，树木葱葱，百鸟争鸣，气候宜人；山顶上，绿草茸茸、百花盛开。妙峰山以盛产玫瑰而著名，还被称做“金项妙峰山”，山顶上至今存留着一座碧霞元君送生娘娘塑像，明清时，这里香火极盛，几十里外都有人来进香。

门头沟区名胜古迹中最著名的是潭柘寺、戒台寺。潭柘寺在北京西南40多公里的深山中，寺内风景优雅、古朴雄奇，殿堂庄严华丽，高峻雄伟。潭柘寺已有1600多年的历史，是北京现存寺庙中最古老的一座。有“先有潭柘寺，后有北京城”之说。戒台寺在潭柘寺东约8公里，寺内有大戒台和辽碑等，还有卧龙松、自在松、活动松、抱塔松、九龙松；历来有潭柘以泉盛，戒台以松名的说法。除潭柘寺、戒台寺外，门头沟区还有号称小三峡的东、西龙门涧及沿河城、黄草梁上的敌台，西峰寺、南宫园等名胜古迹和自然风景区。

门头沟区不但有山，而且有水。北京市最大的河流永定河流经门头沟区10个乡、100多公里的地段，湍流的河水为秀丽的山间风光增添了色彩。门头沟区境内还有一条河叫清水河，北支发源于灵山，南支发源于百花山，到塔河口汇合成清水河，全长近50公里，像一条白色的绸带把两山连起来，使整个门头沟区融为一体。

门头沟区山里蕴藏着大量丰富的矿产资源，主要有煤、石灰岩、耐火粘土、花岗岩、大理石等，称得上是“乌金遍地下、百宝满山川”。门头沟煤矿的储藏面积近700平方公里，占全区总面积的一半，是我国五大无烟煤产地之一。我国特产的琉璃瓦，很大一部分就出在门头沟区琉璃渠村附近的北京琉璃制品厂。据考证，这里烧制琉璃制品的历史可以追溯到无代。门头沟盛产名特果品，东山的京白梨，灵水的核桃，柏峪的扁杏仁，龙泉雾的香白杏，火村红杏，陇驾庄盖柿都是上等的干鲜果品，有的曾为皇宫供品，至今在国内享有盛名。特别是妙峰山乡涧沟村的玫瑰花，以朵大、瓣厚、色浓、味香、含油率高而蜚声国内外。