海淀区地处华北平原的北部边缘地带，系古代永定河冲积的一部分。特色地势西高东低，西部为海拔100米以上的山地，面积约为66平方公里，占总面积的15%左右；东部和南部为海拔50米左右的平原，面积约360平方公里，占总面积的85%左右。区内最高峰为阳台山妙高峰，海拔1278米；最低处为清河镇东的黑泉村，海拔35米左右。西部山区统称西山，属太行山余脉，有大小山峰60余座；整个山势呈南北走向，只有香山北面的打鹰洼主峰山峦向东延伸，至望儿山止，呈东西走向，把海淀区分为两部分，习惯上以此山为界，山之南称为山前，山之北称为山后。
海淀区境内有大小河流10条，总长度119.8公里，主要水系有高粱河、清河、万泉河、南长河、小月河、南沙河、北沙河及人工开凿的永定河引水渠和京密引水渠，还有昆明湖、玉渊潭、紫竹院湖、上庄水库等水面，占北京市湖泊总数的20%；水域面积4平方公里，占北京市水域面积的41.28%，湖泊数量和水域面积均列北京市各区县之首，昆明湖是北京市最大的湖泊，水域面积1.94平方公里。
海淀区受地貌、气候、土壤等备件的影响，区内植被呈垂直性分布规律。海拔800米的中山地区，一般生长着刺玫等野生植物，覆盖率达60-70%；海拔300-800米的低山地区，主要为油松、山杨等人工栽培的林木，覆盖率达30-40%；海拔70-300米之间，多为人工栽培的苹果，梨、杏等果树和油松、侧柏等；平原地带主要是农田栽培，以蔬菜、水稻、小麦为主，此外还种植有杨、柳、槐、榆等树木。
海淀区地处北京的上风、上水，是著名的特色风景旅游区。区内特色名胜古迹众多，园林风光宜人，旅游资源丰富，人居环境良好。区内有各类文物点700余处，其中国家级文物保护单位10处，市级文物保护单位25处。西山山秀林密，古木参天。凤凰岭、阳台山、鹫峰、百望山并列其间；南沙河、京密引水渠、昆明湖、玉渊潭等水域点缀其中。近年来海淀区还开发建设了阳台山、凤凰岭自然风景区和翠湖水乡风景区。海淀区获得“全国人居环境范例奖”。