Huyện Ba Vì là một huyện bán sơn địa với 7 xã miền núi thuộc vùng núi Ba Vì và 24 xã, thị trấn thuộc vùng đồng bằng. Diện tích tự nhiên là 428,0 km², lớn nhất thủ đô Hà Nội. Huyện có dãy núi Ba Vì, núi Ba Vì 3 phần 5 diện tích vùng núi thuộc huyện Ba Vì, cũng là nơi bảo tồn hệ động thực vật thuộc Vườn quốc gia Ba Vì. Vùng (dãy) núi Ba Vì có nhiều ngọn núi nổi tiếng. Trong đó đỉnh Ba Vì (Tản Viên) cao 1281m, đỉnh Núi Vua cao 1296 m. Dãy núi Ba Vì và nhiều danh thắng xung quanh đã tạo cho Ba Vì trở thành một huyện có giá trị và tiềm năng du lịch rất lớn đang khai thác và phát triển có hiệu quả. Huyện có nhiều hồ đập, khá lớn là hồ Suối Hai, và hồ Đồng Mô (tại khu du lịch Đồng Mô). Các hồ này đều là hồ nhân tạo và nằm ở đầu nguồn sông Tích, chảy sang thị xã Sơn Tây, và một số huyện phía Tây Hà Nội, rồi đổ nước vào sông Đáy.