Quận Đống Đa nằm ở phía Tây Nam của Thành phố Hà Nội. Phía bắc giáp quận Ba Đình, phía đông bắc giáp quận Hoàn Kiếm (ranh giới là phố Lê Duẩn), phía đông giáp quận Hai Bà Trưng (ranh giới là phố Lê Duẩn và đường Giải phóng), phía nam giáp quận Thanh Xuân (ranh giới là đường Trường Chinh và đường Láng), phía tây giáp quận Cầu Giấy (ranh giới là sông Tô Lịch).
Địa hình quận Đống Đa tương đối bằng phẳng. Có một số hồ lớn như Ba Mẫu, Kim Liên, Xã Đàn, Đống Đa, Văn Chương. Trước có nhiều ao, đầm nhưng cùng với quá trình đô thị hóa đã bị lấp. Quận có hai sông nhỏ chảy qua là sông Tô Lịch và sông Lừ. Phía đông có một vài gò nhỏ, trong đó có gò Đống Đa.
Quận Đống Đa có diện tích khoảng 9,95km2, gồm 21 phường với dân số trên 400.110 người.
Một số di tích văn hóa, lịch sử trên địa bàn quận Đống Đa là Văn Miếu-Quốc Tử Giám, di tích Đàn Xã tắc, di tích vòng thành Đại La, Chùa Bộc, gò Đống Đa và tượng đài vua Quang Trung, chùa Láng, đền Bích Câu, ga Hà Nội, v.v.
Trên địa bàn quận có gò Đống Đa, nơi được coi là mộ tập thể của các binh sĩ nhà Thanh Trung Quốc. Quận đặt theo tên chiến thắng trận Đống Đa của nghĩa quân Tây Sơn mùa xuân năm Kỷ Dậu (1789).