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海淀區的南部在北二環馬路的中心線，北部在北六環附近。
海淀區位于北京城區和近郊區的西部和西北部，與朝陽區、西城區、宣武區、豐臺區、石景山區、門頭溝區和昌平區接壤，區域面積為426平方千米，約占北京市總面積的2.53%。轄區呈不規則平行四邊形，東、西兩邊長于南、北兩邊。東極點河北村與西極點陽臺山相距約29千米，北極點雙塔村與南極點吳家場相距約30千米。
海淀區大地構造上處于陰山東西復雜構造帶南緣、祁呂一賀蘭山字形構造東翼反射弧與新華夏構造帶交接部位，西部山區為北京西山隆起帶，東部平原為北京平原沉降帶，地質構造發育、構造形跡復雜，巖漿活動頻繁。
海淀地區除缺失太古界、震旦亞界、上奧陶統、志留系、泥盆系、下石炭統、白堊系地層外，其余從寒武系到第四系地層均有分布，巖性較齊全，沉積巖、巖漿巖、變質巖三大類均有出露。
