Hà Tây 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 dịa 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:
- Vùng đồng bằng, đất đai màu mỡ, có điều kiện thâm canh cây lúa nớc cho năng suất cao, phát triển rau màu, cây công nghiệp ngắn ngày. Vùng trung du tiềm năng lớn về cây công nghiệp trồng rừng, cây ăn quả và chăn nuôi đại gia súc.
- Vùng núi: Trồng rừng với nhiều lâm sản quý, phù hợp với nhiều loại cây ăn quả, cây dợc liệu giá trị cao. Tài nguyên khoáng sản chứa trong các vùng đó có: đá vôi, đá đỏ, nớc khoáng... Cùng với nông nghiệp, Hà Tây nổi tiếng đất trăm nghề thủ công mỹ nghệ, mộc, rèn, thêu, ren và đặc biệt là lụa tơ tằm Hà Đông. Công nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng, chế biến nông sản thực phẩm có nhiều triển vọng. Nhiều cảnh quan kỳ thú đã cho Hà Tây nhiều hứa hẹn ngành du lịch phát triển: Núi Thầy (Quốc Oai), Tản Viên Sơn (Ba Vì) gắn liền với truyền thuyết Sơn Tinh - Thủy Tinh và đặc biệt thắng cảnh Hơng Sơn (Mỹ Đức) đã đợc mệnh danh "Nam thiên đệ nhất động" tiếp đến Đồng Mô - Ngải Sơn - Suối Hai và tất cả đã tạo thành 3 cụm du lịch liên hoàn Sơn Tây - Ba Vì, Hơng sơn, Hà Đông và vùng phụ cận.
- Vùng đồi núi phía tây có diện tích tự nhiên 704 km2, chiếm 1/3 diện tích toàn tỉnh. Vùng núi có độ cao tuyệt đối 300 m trở lên đến độ cao nhất là đỉnh núi Ba Vì. ở đây có rừng Quốc Gia Ba Vì với diện tích 74 km2. Các núi đá vôi tập trung ở vùng tây nam tỉnh (thuộc huyện Chơng Mỹ, Mỹ Đức) với nhiều hang động đẹp. Vùng đồi gò có diện tích trên 530 km2, chủ yếu là đồi thấp (độ cao trung bình 100 m) xen lẫn các thung lũng.Vùng đồng bằng phía đông có diện tích 1.444 km2 chiếm 2/3 diện tích toàn tỉnh. Độ cao trung bình từ 5 - 7 m so với mặt biển. Địa hình vùng này mang đặc trng đồng bằng Bắc Bộ ô trũng đê viền.
Với địa hình đa dạng trên, Hà Tây có nhiều đỉnh núi cao, nhiều sông lớn, và nhiều hồ đầm. Cao nhất là đỉnh núi Ba Vì 1.281 m, núi Gia Dê thuộc Ba Vì có độ cao 707 m, núi Thiên Trù (Mĩ Đức cao 378 m, núi Bộc (Chơng Mĩ) cao 245 m, núi Thầy (Quốc Oai) cao 105 m. Những con sông chảy qua tỉnh: Sông Hồng (127 km), sông Đà (32 km), sông Đáy (103 km), sông Tích (110 km) sông Nhuệ (47 km), sông Bùi (7 km). Hà Tây có các hồ lớn sau: Hồ Đồng Mô - Ngải Sơn (rộng 1.260 ha), hồ
Suối Hai (671 ha), hồ Mèo Gù (113 ha), hồ Xuân Khanh (104 ha) thuộc huyện Ba Vì; các hồ Tuy Lai (259 ha), hồ Quan Sơn (283 ha) thuộc huyện Mĩ Đức; hồ Đông Xơng (90 ha) thuộc huyện Chơng Mĩ; hồ Tân Xã (80 ha) thuộc huyện Thạch Thất.
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.