渝北区位于重庆市主城区东北部，长江北岸与嘉陵江东岸的三角地带，地跨东经106°27′30″—106°57′58″，北纬29°34′45″—30°07′22″，面积约为1 452平方千米，区人民政府驻两路街道。北与四川省广安地区华蓥市、邻水县交界，东与重庆市长寿区接壤，南与重庆市江北区毗邻并同巴南区、南岸区、沙坪坝区隔江相望，西与重庆市北碚区、合川区相邻。

地质构造形态组合分两种类型褶皱束，主要有3条背斜，西部以龙王洞背斜为主，属华蓥山帚状褶皱束；东部为铜锣峡背斜和明月峡背斜，属宣汉重庆平行褶皱束。褶皱带呈东北东向展布，狭长不对称，褶皱紧密，向斜宽，背斜窄，断裂较小。龙王洞背斜与铜锣峡背斜间为江北向斜，铜锣峡背斜与明月峡背斜间为石船向斜。

地层岩性属沉积岩广泛发育区，出露地层总厚3 416～4 478米。其中侏罗系分布最广，约占73%；三叠系次之，约占21%；二叠系出露面积仅在区境东北及西北的背斜高点有少量分布，仅占1%。此外，第四系地层属零星分布于江河两岸。

地处巴渝平行岭谷地带，地势由西北向东南缓缓倾斜，全境由华蓥山脉、铜锣山脉、明月山脉的3条西北—东南条状山脉与宽谷丘陵交互组成平行岭谷景观；北部山地海拔1 460～800米，中部一般800～450米，东南部450～155米；西部有后河流入嘉陵江，嘉陵江沿西南边境经过。中、东部有寸滩河、朝阳河、长堰溪、温塘河、西河、东河、御临河和长江等河流，长江于区境东南方自西向东流过。

自然资源丰富，现有野生动物87种，其中哺乳动物19种、鳞介类21种、野禽类40种、爬虫类7种，被国家列为重点保护的野生动物有锦鸡、鲟鱼等。现有野生植物97科219属326种，其中有野生中药材132种，用材林木主要有松、柏、杉、栗、青杠、枫、樟、楠和各种阔叶林木，经济林木主要有柑橘、柚、梨、桃、苹果、樱桃、枇杷、核桃、桑、茶、竹等。

水资源丰富，地表水除长江、嘉陵江过境水外，御临河常年过境水量约为71 710万立方米，区域常年平均降水量约8亿立方米。地下水有碳酸盐岩溶水、碎屑岩孔隙裂水、基岩（红层）裂隙水和松散堆积孔隙水四大类，总量近1亿立方米。水利资源理论蕴藏量28 000千瓦，可开发利用约14 000千瓦。

矿产资源主要有煤、天然气、硫铁矿、砂金、含钾凝灰岩、石灰岩、石英砂、陶土、瓷土、耐火黏土等十余种，均有不同程度开采。

全区气候属亚热带湿润气候区，大陆性季风气候显著。年平均气温为17.1°C ，日照1 341.1小时，降水量1 150.7毫米，无霜期319天。具有冬暖、春旱、初夏多雨、盛夏多伏旱、秋短多阴雨，雨热同季，无霜期长，湿度大、风力小、云雾多、日照少的特点。

区内民族众多，现有汉、藏、土家、回、壮、苗、白、朝鲜、瑶、侗、彝、满、布依、羌、拉祜、傣、蒙古、哈尼18个民族，其中汉族占总人口数量的99%。据2010年人口普查，区内常住人口总数约为1 345 400人。