Huyện nằm giữa rìa phía Tây Nam Hà Nội, có vị trí địa lý:

• Phía đông giáp quận Hà Đông và huyện Thanh Oai với ranh giới tự nhiên là sông Đáy
• Phía tây giáp huyện Lương Sơn, tỉnh Hòa Bình
• Phía nam giáp các huyện Mỹ Đức và Ứng Hòa
• Phía bắc giáp huyện Quốc Oai.

Huyện nằm ở hướng Tây Nam thủ đô Hà Nội. Huyện lỵ của huyện là thị trấn Chúc Sơn, cách trung tâm Hà Nội 15 km. Huyện có diện tích rộng đứng thứ 3 toàn thành phố (sau huyện Ba Vì và huyện Sóc Sơn). Địa hình chia làm 3 vùng: vùng bãi ven sông Đáy, vùng đồng bằng và vùng bán sơn địa. Trên địa bàn có 02 quốc lộ chạy qua là quốc lộ 6A với chiều dài 18 km, quốc lộ 21A và đường Hồ Chí Minh với dài 16,5 km. Tổng diện tích của toàn huyện là 23.240,92 ha, trong đó: nhóm đất nông nghiệp là 14.032,65 ha; nhóm đất phi nông nghiệp là 8.081,23 ha; nhóm đất chưa sử dụng là 8.081,23 ha.