華盛頓哥倫比亞特區位于美國的東北部，靠近弗吉尼亞州和馬里蘭州，中心位置位于北緯38°91u2032，西經77°01u2032，總面積177平方公里，其中有10.16%的地區是水。華盛頓西南同弗吉尼亞州相連，邊界為波多馬克河南岸。其它三面同馬里蘭州相連。

華盛頓哥倫比亞特區的最高點為海拔125米，位于坦利鎮（Tenleytown），最低點為西北區L街和西北區紐約大道。

華盛頓哥倫比亞特區屬副熱帶濕潤氣候區，四季分明，氣溫變化相對和緩，全年降水分配均勻。冬季冷涼，微潮，時而偏向寒冷，日最低氣溫低于0℃的日數有64天；夏季相對炎熱潮濕，日最高氣溫超過90 °F（約合32.2℃）的日數年均有37天，超過100°F（約合37.8°℃）的有1.2天。最冷月（1月）均溫2.2℃，極端最低氣溫-26℃（1899年2月11日）。最熱月（7月）均溫26.6℃，極端最高氣溫41℃（1918年8月6日，1930年7月20日）。無霜期平均為235天，由于熱島效應的影響，市中心的無霜期較西北郊可多出30天以上。年均降水量約1008毫米，年均降雪量為39.6厘米（約合15.6英寸）。降雪年際變化較大。

有三條河流經華盛頓哥倫比亞特區，分別為波多馬克河（Potomac River），阿納卡斯蒂亞河（Anacostia River）和羅克溪（Rock Creek）。阿娜卡斯蒂亞河和羅克溪都是波多馬克河的支流。