İstanbul'un Avrupa yakasındadır. Kağıthane deresinin Haliç'le buluştuğu yerden itibaren kuzey-batıya doğru genişler. Kuzeyde ve güneyde Şişli, batıda Beşiktaş, doğuda Eyüp ilçeleriyle komşudur. Bir diğer güney komşusu da Beyoğlu'dur. Haliç'e de çok kısa bir kıyısı vardır.
İstanbul boğazını Boğaziçi ve Fatih Sultan Mehmet köprüleriyle aşan oto yollardan ilki ilçenin güneyinden, ikincisi ise kuzeyinden geçer. Bunlardan 01 (E5) oto yolu güneyde Şişli ilçesiyle sınır oluşturur. 02 (TEM) oto yolu ise Kağıthane ilçesinin kuzey kesiminde doğu-batı doğrultusunu izler. Okmeydanı ve Hasdal kavşakları arasında uzanan bir başka oto yolda 01 ve 02 oto yollarını bir birine bağlar. İlçeyi oluşturan 16 mahallenin adları şöyledir: Çağlayan, Çeliktepe, Emniyet Evleri, Gültepe, Gürsel Harmantepe, Hürriyet, Merkez, Ortabayır, Sanayi, Seyrantepe, Şirintepe, Talat Paşa, Telsizler, Yahya Kemal ve Yeşilce.