東京都23區的北部南北狹長，東西約2.9公里、南北約9.3公里，總面積20.59平方公里，在東京23區中排名第11。北側以荒川與荒川放水路與埼玉縣川口市、戶田市相隔，東側則隔著隅田川與足立區相望，西鄰板橋區，南接文京區與豐島區，而區南端距離台東區的邊界僅約百公尺，地理位置相當特殊。
田端的大部分與中里的部分區域位於JR山手線的內側，使北區成為23區中唯一同時鄰接都縣邊界又與山手線內區域相連的行政區。
交通方面，區內有多條主要幹道通過，包括明治通、環七通、環八通、中山道與本鄉通，往千代田區等都心的交通相當便利。北區同時擁有23區中最多的JR車站，共有10站，幾乎全區的住宅區都能步行抵達車站。其中位於區北部的赤羽站更是重要的交通樞紐，JR四條路線在此交會，串聯東京與埼玉的交通網絡。
地形上，北區可大致分為兩部分：以東北本線（宇都宮線、京濱東北線）為界，西南側屬於武藏野台地的東北端，東北側則位於荒川的沖積平原地帶，展現出截然不同的地貌特色。
