华盛顿哥伦比亚特区位于美国的东北部,靠近弗吉尼亚州和马里兰州,中心位置位于北纬38°91u2032,西经77°01u2032,总面积177平方公里,其中有10.16%的地区是水。华盛顿西南同弗吉尼亚州相连,边界为波多马克河南岸。其它三面同马里兰州相连。
华盛顿哥伦比亚特区的最高点为海拔125米,位于坦利镇(Tenleytown),最低点为西北区L街和西北区纽约大道。
华盛顿哥伦比亚特区属副热带湿润气候区,四季分明,气温变化相对和缓,全年降水分配均匀。冬季冷凉,微潮,时而偏向寒冷,日最低气温低于0℃的日数有64天;夏季相对炎热潮湿,日最高气温超过90 °F(约合32.2℃)的日数年均有37天,超过100°F(约合37.8°℃)的有1.2天。最冷月(1月)均温2.2℃,极端最低气温-26℃(1899年2月11日)。最热月(7月)均温26.6℃,极端最高气温41℃(1918年8月6日,1930年7月20日)。无霜期平均为235天,由于热岛效应的影响,市中心的无霜期较西北郊可多出30天以上。年均降水量约1008毫米,年均降雪量为39.6厘米(约合15.6英寸)。降雪年际变化较大。
有三条河流经华盛顿哥伦比亚特区,分别为波多马克河(Potomac River),阿纳卡斯蒂亚河(Anacostia River)和罗克溪(Rock Creek)。阿娜卡斯蒂亚河和罗克溪都是波多马克河的支流。