Quận Đống Đa nằm ở trung tâm thành phố Hà Nội, có vị trí địa lý:

• Phía bắc giáp quận Ba Đình với ranh giới là các phố Nguyễn Thái Học, Giảng Võ, Láng Hạ, Huỳnh Thúc Kháng, Nguyên Hồng, Đê La Thành
• Phía đông bắc giáp quận Hoàn Kiếm với ranh giới là phố Lê Duẩn
• Phía đông giáp quận Hai Bà Trưng với ranh giới là phố Lê Duẩn, đường Giải Phóng và phố Vọng
• Phía nam giáp quận Thanh Xuân với ranh giới là đường Trường Chinh, đường Nguyễn Trãi và sông Tô Lịch
• Phía tây giáp quận Cầu Giấy với ranh giới là sông Tô Lịch.

Quận Đống Đa có diện tích 9,96 km², dân số năm 2013 là 410.000 người, đông nhất trong số các quận, huyện, thị xã của Hà Nội.

Địa hình quận Đống Đa tương đối bằng phẳng. Có một số hồ lớn như hồ Ba Mẫu, hồ Kim Liên, hồ Xã Đàn, hồ Đống Đa, hồ Văn Chương. Trước có nhiều ao, đầm nhưng cùng với quá trình đô thị hóa đã bị lấp. Quận có hai sông nhỏ chảy qua là sông Tô Lịch và sông Lừ. Phía đông có một vài gò nhỏ, trong đó có gò Đống Đa.