西青区位于天津市西南部，东与红桥区、南开区、河西区及津南区毗邻，东南与大港相连，南靠独流减河与静海县隔河相望，西与武清区和河北省霸州接壤，北依子牙河，与北辰区交界。地处北纬38°51’至39°51’，东经116°51’至117°20’。南北长48公里，东西宽11公里，全区总面积570.8平方公里。西青区自然形成西高东低的地势，地面高程渐次在海拔5.0-3.0米之间，洼地为2.0米。境内有大清河，子牙河于西南部的第六埠汇入东淀；中亭河串流东淀北侧，到西河闸与西河汇流。汇入东淀的河水由下口的独流减河进洪河闸及西河闸分泄。
西青区地处中国沿海开放前沿的环渤海经济圈内，依托中国四大城市之一的天津，毗邻北京，交通便捷，四通八达，境内有京福、津淄、津港、津同、外环线等十一条公路干线，纵横交错，贯通全国各地。经外环线可达30公里处的天津新港（中国北方最大的贸易港）和15公里的天津机场，驱车十几分钟就可进入天津市区，经京塘高速公路可直达120公里处的中国首都北京。
西青区属暖温带半湿润大陆行季风气候区。其特点是干湿季节分明，寒暑交替明显，冬季受西伯利亚性气团影响，寒冷、干燥；春季少雨、多风、干燥、气温变化明显；夏季受太平洋副热带高压和西南来的不暖湿气流影响，闷热、降水集中；秋季受高压控制，天气晴爽。全年平均气温11.6℃，全年无霜期203天，年际变化不大。全年日照总量2810.4小时。自然降水总量586.1毫米，其中夏季443.2毫米。