东西长45公里，南北宽约35公里，总面积约1300平方公里。区内有丰沙、京原等铁路干线和京台、周口店、良坨待支线通过，除黑土港矿区无铁路外，各矿交通尚称便利。气候属温带大陆性季风气候，最高所温40℃，最低气温-22℃，年平均降水量600毫米。冻结深度0.9米。区内山峦起伏，沟谷纵横，西北高东南低，山岭海拔标高在1000米以上，最高峰达2035米，最低为90米，主要河流有永定河及大石河，是本区工业及民用主要水。电源为石景山电厂和下马岭水电站。

1958年5月，京西矿区撤销，其管辖范围正式定名为门头沟区。