Thanh Trì là huyện ngoại thành nằm ở trung tâm thành phố Hà Nội tiếp giáp các quận: Thanh Xuân (phía Tây Bắc), Hoàng Mai (phía Bắc), Hà Đông (phía Tây); và các huyện Gia Lâm (với sông Hồng làm ranh giới tự nhiên) ở phía Đông, Thanh Oai và Thường Tín ở phía Nam. Huyện Thanh Trì nằm ở hữu ngạn sông Hồng, địa thế thấp dần về phía Đông Nam theo hướng dòng chảy của sông Hồng. Trên địa bàn huyện có đoạn cuối của sông Tô Lịch chảy qua nối với sông Nhuệ ở phía tây nam. Địa hình của huyện Thanh Trì thấp với nhiều điểm trũng. Sông Hồng nhiều lần chuyển dòng để lại vết tích những điểm trũng này là các ao, hồ, đầm. Vì thế trước đây tên cũ của huyện là Thanh Đàm, có nghĩa là "ao xanh" và "đầm xanh" chính là dựa vào đặc điểm địa hình của huyện.
Huyện Thanh Trì trước kia bao gồm toàn bộ diện tích hiện nay và một phần diện tích tương đối lớn nữa đã thuộc về các quận Thanh Xuân và Hoàng Mai. Sau khi thành lập quận Thanh Xuân và trước khi quận Hoàng Mai ra đời (năm 2001), diện tích tự nhiên của huyện là 9.791 ha, gồm 24 xã và 01 thị trấn. Đến năm 2003, một phần của huyện Thanh Trì được cắt ra để hợp với một số phường của quận Hai Bà Trưng thành quận Hoàng Mai, gồm toàn bộ 09 xã và một phần (55ha) của xã Tứ Hiệp. Sau khi chia tách, diện tích đất tự nhiên của huyện Thanh Trì chỉ còn 6.292.73 ha với 15 xã và 01 thị trấn: thị trấn Văn Điển và các xã Tân Triều, Thanh Liệt, Tam Hiệp, Tứ Hiệp, Hữu
Hòa, Tả Thanh Oai, Vĩnh Quỳnh, Đại Áng, Ngọc Hồi, Ngũ Hiệp, Liên Ninh, Yên Mỹ, Duyên Hà, Đông Mỹ, Vạn Phúc [36].