北京市轄區，為近郊區。位於北京市城區西部和西北部，地理座標為北緯39°53′-40°09′，東經116°13′-116°23′。東與西城區、朝陽區相鄰，南與豐臺區毗連，西與石景山、門頭溝區交界，北與昌平區接壤。南北長約30千米，東西最寬處29千米，總面積430.77平方千米；其中城市規劃區面積214平方千米，北部地區四鎮面積216.77平方千米。2010年末戶籍人口222萬人。
全區轄22個街道、7個鎮（地區）：萬壽路街道、永定路街道、羊坊店街道、甘家口街道、八里莊街道、紫竹院街道、北下關街道、北太平莊街道、學院路街道、中關村街道、海淀街道、青龍橋街道、清華園街道、燕園街道、香山街道、清河街道、花園路街道、西三旗街道、馬連窪街道、田村路街道、上地街道、萬柳地區（海淀鎮）、東昇地區（鎮）、曙光街道、溫泉地區（鎮）、四季青地區（鎮）、西北旺地區（鎮）、蘇家坨地區（鎮）、上莊地區（鎮）。區政府駐長椿（春）橋路17號。
地勢西高東低。西部山區統稱西山，屬太行山餘脈。以百望山為界，山南稱山前，山北稱山後。山區及半山區面積92平方千米，平原面積338.77平方千米。最高峰為陽臺山，海拔1278米。最低處在東昇地區黑泉村，海拔35米。境內有高梁河、清河、萬泉河、南長河、小月河、南沙河、北沙河、永定河引水渠、京密引水渠及昆明湖、玉淵潭、紫竹院湖、上莊水庫等。屬暖溫帶半溼潤季風氣候，年平均氣溫13.4℃。景點有頤和園、五塔寺、圓明園遺址和“燕京八景”中的西山晴雪、玉泉垂虹、薊門煙樹3景。
1949年3月在海淀區現轄區域內正式設置單一行政區域，當時稱“北平市第十六區”。後兩次更名，於1952年9月1日命名為“海淀區”。
1999年，設立花園路街道、西三旗街、馬連窪街道、田村路街道、上地街道。
2000年第五次人口普查，海淀區總人口2240124人，其中：萬壽路街道148159人、永定路街道37394人、羊坊店街道110193人、甘家口街道111596人、八里莊街道83519人、紫竹院街道134330人、北下關街道131720人、北太平莊街道136244人、雙榆樹街道50211人、學院路街道157065人、中關村街道58367人、海淀街道108635人、青龍橋街道78664人、清華園街道49072人、燕園街道36706人、香山街道35690人、清河街道71862人、田村路街道45429人、花園路街道130059人、西三旗街道88954人、上地街道10894人、馬連窪街道66622人、溫泉鎮31537人、玉淵潭鄉41226人、四季青鄉88643人、海淀鄉34878人、東昇鄉34533人、東北旺鄉36519人、永豐鄉30363人、上莊鄉25138人、蘇家坨鄉18697人、北安河鄉13031人、聶各莊鄉4174人。
2001年9月10日，經市政府研究，同意海淀區關於城鄉結合部鄉鎮行政區域調整的意見：撤銷四季青鄉，設立四季青鎮；在東昇鄉設立東昇地區辦事處，與東昇鄉實行“一套人馬，兩塊牌子”；在海淀鄉設立萬柳地區辦事處，與海淀鄉實行“一套人馬，兩塊牌子”；撤銷玉淵潭鄉，將其所轄區域劃歸毗鄰街道辦事處管轄。
2002年，據北京市政府《關於海淀區城鄉結合部鄉鎮行政區劃調整的批覆》精神，海淀區完成對萬柳、東昇兩個地區辦事處行政區域管轄範圍的重新劃分工作；將原有的1053個居（家）委會調整為579個社區。2002年11月，區機關由臨時駐地皇苑大酒店遷至位於長椿橋路17號的新辦公大樓。
2002年末，海淀區總面積430.77平方千米。人口167.6萬人。轄22個街道、2個鎮、9個鄉（其中2個鄉同時設地區辦事處）：萬壽路街道、永定路街道、羊坊店街道、甘家口街道、八里莊街道、紫竹院街道、北下關街道、北太平莊街道、雙榆樹街道、學院路街道、中關村街道、海淀街道、青龍橋街道、清華園街道、燕園街道、香山街道、清河街道、花園路街道、西三旗街、馬連窪街道、田村路街道、上地街道、萬柳地區（海淀鄉）、東昇地區（鄉）、溫泉鎮、四季青鎮、玉淵潭鄉、東北旺鄉、永豐鄉、上莊鄉、蘇家坨鄉、北安河鄉、聶各莊鄉。共有573個社區、88個行政村。區政府駐西三環長椿橋路17號。
2003年，撤銷東北旺鄉、永豐鄉，合併設立西北旺鎮；撤銷蘇家坨鄉、北安河鄉、聶各莊鄉，合併設立蘇家坨鎮；撤銷上莊鄉，設立上莊鎮。2004年12月16日，曙光街道辦事處正式掛牌成立。
2004年末，海淀區轄23個街道、5個鎮、2個鄉（地區）：萬壽路街道、永定路街道、羊坊店街道、甘家口街道、八里莊街道、紫竹院街道、北下關街道、北太平莊街道、雙榆樹街道、學院路街道、中關村街道、海淀街道、青龍橋街道、清華園街道、燕園街道、香山街道、清河街道、花園路街道、西三旗街、馬連窪街道、田村路街道、上地街道、萬柳地區（海淀鄉）、東昇地區（鄉）、曙光街道、溫泉鎮、四季青鎮、西北旺鎮、蘇家坨鎮、上莊鎮。
2005年第85次市長辦公室研究同意調整海淀區平原地區行政建制。此次調整是根據北京市關於新建街道辦事處“地域面積5―10平方千米，規劃居住人口8―10萬人，實際居住人口超過3萬人，其中居民人口比例佔80%以上”的設置標準確定的，是海淀區進行全區資源整合以來最重要的舉措之一，也是海淀區歷史上最大規模的一次行政區劃調整。 8月，海淀區行政區劃調整：將把雙榆樹街道辦事處全部管轄區及學院路街道辦事處所轄東昇園地區併入中關村街道辦事處；調整海淀街道辦事處與周邊街道、地區辦事處管轄範圍；東昇地區辦事處京包鐵路以西、荷清路以北地區劃歸清華園街道辦事處管轄；萬柳地區辦事處樹村地區和西北旺鎮中關村軟件園地區劃歸上地街道辦事處管轄；西北旺鎮百草園地區、百旺新城地區劃歸馬連窪街道辦事處管轄。交接工作自8月26日開始至9月15日完成。 具體調整情況：（1）原雙榆樹街道和原中關村街道合併成為新的中關村街道，學院路街道辦事處所轄的東昇園地區也併入到新的中關村街道內。新的街道辦事處分南北兩個辦公區，北辦公區設在原中關村街道辦事處所在地，主要設立了計生辦等與居民事務密切相關的部門；南辦公區設在雙榆樹社區服務中心，主要是工委辦公室等行政部門。原雙榆樹街道面積1.99平方千米；原中關村街道面積3.11平方千米。（2）萬柳地區辦事處（即海淀鄉）轄區內的萬泉莊村地區併入到海淀街道。萬泉莊村地區已實現了城市化，併成為海淀區的行政中心和住宅集中區。為使街道辦事處的地圖都趨於整齊，便於規範管理，該地區就近併入海淀街道辦事處。（3）海淀街道辦事處管轄的北三環西路、長春橋路以南地區併入紫竹院街道。（4）海淀街道轄區內的大石橋地區和東昇地區辦事處內京包鐵路以西、荷清路以北地區一同併入清華園街道。（5）萬柳地區辦事處轄區內的樹村地區、西北旺鎮轄區內的中關村軟件園區一同併入上地街道。上地街道辦事處主要為工業用地，與這兩個地區毗鄰。這兩個地區同屬高新技術產業開發區，併入上地街道後，可統一上地街道的特色。（6）西北旺鎮西北旺新村地區和百草園併入到馬連窪街道。 調整後各街道新範圍：（1）中關村街道辦事處：東至京包線，南至北三環西路，西至中關村大街，北至成府路。（2）學院路街道辦事處：東至八達嶺高速路，南至北四環中路，西至京包線—西王莊小區西圍牆—雙清路；北至清河街道辦事處與學院路街道辦事處分界線。（3）海淀街道辦事處：東至中關村大街，南至北三環西路—長春橋路，西至京密引水渠，北至北四環西路—萬泉河路—芙蓉北路—頤和園路—海淀路。（4）紫竹院街道辦事處：東、南、西為原分界線，北至北三環西路—長春橋路。（5）青龍橋街道辦事處：北、西、南為原分界線，東至京包鐵路—汙水明渠。（6）清華園街道辦事處：東至京包鐵路—財經東路—中關村東路，南至成府路，西至中關村北大街—清華南路，北至汙水明渠。（7）東昇地區辦事處：五環路以北地區不變，五環路以南地區北、東、南為原邊界線，西至京包鐵路—財經東路—中關村東路。（8）上地街道辦事處：東至京包鐵路，南至北五環路中心線，西至軟件園西路—東北旺西路—農大北路—原萬柳地區辦事處樹村地區與馬連窪街道辦事處分界線，北至後廠村路。（9）萬柳地區辦事處：青龍橋村地區四至範圍不變。（10）馬連窪街道辦事處：東至軟件園西路—東北旺西路—原馬連窪街道東部分界線，南至北五環路中心線，西至京密引水渠—西北旺新村西路，北至西北旺環路—後廠村路。 11月，海淀區完成行政區劃調整，全區街道、鄉鎮行政建制由原先的30個減少至29個，即22個街道、2個地區（鄉）和5個鎮。共有566個社區、85個村委會。年末戶籍人口191.8萬人。
2011年根據《北京市民政局關於調整海淀區七個鄉鎮行政區劃的批覆》（京民劃函[2011]317號）：撤銷海淀鄉、東昇鄉，設立海淀鎮、東昇鎮，並分別保留萬柳地區辦事處、東昇地區辦事處。在溫泉鎮、四季青鎮、西北旺鎮、蘇家坨鎮、上莊鎮5個鎮設立地區辦事處，實行“一套人馬，兩塊牌子”，同時行使街道、鎮職權。（2011年11月，溫泉等5個鎮正式掛牌成立地區辦事處；2012年2月23日正式撤銷海淀鄉，設立海淀鎮）