Hà Tây cũ nằm ở phía hữu ngạn sông Đà và sông Hồng thuộc vùng châu thổ sông Hồng, có toạ độ địa lý 20033' - 21018' vĩ độ bắc và 105017' - 105059' kinh độ đông. Phía Đông Bắc giáp thủ đô Hà Nội, phía Đông Nam giáp tỉnh Hng Yên, phía Nam giáp tỉnh Hà Nam, phía Tây giáp tỉnh Hòa Bình, phía Bắc giáp hai tỉnh Vĩnh Phúc và Phú Thọ. Đờng số 1 từ Hà Nội qua Hà Tây chạy dài tới Thành phố Hồ Chí Minh, đờng số 6 qua Hòa Bình nối liền với Tây Bắc, đờng 32 qua Vĩnh Phúc nối Hà Tây với Việt Bắc. Cùng với sông Hồng, sông Đà, có 4 con sông nhỏ chạy trong nội tỉnh tạo thành hệ thống giao thông thủy bộ thuận lợi. Địa hình khá đa dạng, độ cao nghiêng dần từ tây bắc xuống đông nam.
Hà Tây là vùng đất nối liền giữa vùng Tây Bắc và vùng trung du Bắc Bộ với các tỉnh Đồng bằng sông Hồng, có địa hình đa dạng, Miền núi, trung du và đồng bằng rất thuận lợi để phát triển nông nghiệp, công nghiệp, du lịch và dịch vụ. Do đặc điểm địa hình, Hà Tây hình thành 3 vùng: Đồng bằng, vùng núi và vùng đồi.
Hà Tây có khí hậu nhiệt đới gió mùa ẩm, có mùa đông khô lạnh. Tuy vậy, do đặc điểm địa hình nên cũng có các vùng tiểu khí hậu khác nhau:
- Vùng đồng bằng có độ cao trung bình 5 - 7 m, chịu ảnh hởng của gió biển, khí hậu nóng ẩm, nhiệt độ trung bình năm 23,8oC, lợng ma trung bình 1700 - 1800 mm.
- Vùng đồi gò có độ cao trung bình từ 15 m - 50 m. Khí hậu lục địa có ảnh h- ởng gió Lào, nhiệt độ trung bình 23,5oC, lợng ma trung bình 2.300 - 2.400 mm.
- Vùng núi Ba Vì có độ cao 700 m trở lên, là vùng khí hậu mát mẻ, nhiệt độ trung bình 18oC. Lợng ma trung bình trên 2300 mm.