東京都の内、特別区（23区）の南西部に位置し、神奈川県と接する南側には多摩川が流れ、多摩川が概ね都県境を構成する。都心から放射状に鉄道が通り、鉄道間の連絡や、各駅と住宅地を結ぶようにバス路線が走る。区北部は道路網が狭隘で非常に入り組み、交通網の発達が十分とはいえない地域となっている。貧弱な道路網の一因には、農地から宅地を造る際、農道をベースとしている事も理由にあげられる。

1990年代までは東京特別区で最大の面積であった（現在の最大面積は大田区）。

地形的には大部分が武蔵野台地の内、南部（多摩川の段丘上）に位置し、地形の起伏が多い。南部は多摩川に沿い、区内他地域と比べて全体的に土地が低い。多摩川の段丘の斜面の連なりを国分寺崖線と言い、区ではその一帯を「みどりの生命線」と呼ぶ。

区は世田谷、北沢、玉川、砧、烏山の5つの地域に分けられている。各地域に行政機構の一部として総合支所が置かれる。

人口は都内第一位で、多くを住宅地が占める。迷路のように区画整理されない細い道が続く住宅街がある一方で、二子玉川、三軒茶屋、下北沢などの商業地域や、成城、岡本、奥沢、玉川田園調布、上野毛、深沢、等々力などの国分寺崖線沿いの高級住宅街等が有名で、等々力渓谷をはじめ自然が多く、林や公園などが多く存在する。