Nallıhan Ankara'nın batısında olup; Doğudan Beypazarı, Kuzeybatıdan Göynük, Kuzeyden Mudurnu-Seben, Batıdan Sarıcakaya, Güneyden Eskişehir ve Mihallıçcık'la çevrilidir.

        İl merkezine uzaklığı 160 km'dir. Dört bir tarafı dağ ve tepelerle çevrilidir. Nallıhan Çayının kenarına kurulmuştur. Yüzölçümü 1978 km2'dir. Deniz seviyesinden yüksekliği ise 625 metredir.İlçe arazisi çok engebelidir.

        Batıda Andız, Kuzeyde Sarıçalı, Doğuda Kara geriş, Güneyde Sündiken dağları vardır. Bu dağlar ve tepeler arasında da dik vadiler bulunduğu gibi dere boylarında ve tepelerin düzlüklerinde ekime müsait araziler bulunur.Dere boyları bilhassa sulu ziraata müsaittir.

        Çayırhan ve Beypazarı'na bitişik kısımlar kısmen düzlüktür. Nallıhan'ın dağları çam ormanları ve meşeliklerle kaplıdır. Bilhassa kuzeye ve batıya gidildikçe orman örtüsü sıklaşır.Doğuda ve güneyde dağ ve tepeler umumiyetle çıplaktır. Arazinin % 48'i Orman, % 25'i tarıma elverişli, % 22'si çayır ve mera, % 5'i çalılıktır.

        Bölge genellikle güneye doğru meyilli olduğundan dere ve çaylar Güneyden geçen Sakarya Nehrine dökülür. Sakarya bölgenin en büyük akarsuyudur.İlçe topraklarından çıkan Pınarbaşı, Nallıhan Çayı, Sofulu belli başlı akarsularıdır.

        Nallıhan'ın iklimi İç Anadolu'nun ve Batı Karadeniz ikliminin özelliklerini gösterir. İlkbahar, Sonbahar ve Kış ayları yağışlı ise de yaz aylarında pek yağış görülmez. Kışlar fazla soğuk olmayıp yağışlı geçer. Sakarya Nehri Vadisinde rakım 200-250 m.ye kadar düştüğünden burada daha ılımlı bir iklim hüküm sürer.

        Nallıhan Dağları çam ormanları ve meşeliklerle kaplıdır. Bilhassa kuzeye ve batıya gidildikçe orman örtüsü sıklaşır. Doğuda ve Güneyde dağ ve tepeler umumiyetle çıplaktır.