海淀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。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。

　　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。