本區位於桃園市北隅，西北與蘆竹區為界，東北鄰接龜山區，東南與新北市之鶯歌區接壤，西南毗中壢區，南連八德區。本區中心位置為光興里縣府路，極東為忠義里虎頭山公園，極西為龍山里龍山街，極南以中德里中路街為界，極北則為汴洲里水汴二路。
本區人口數為462,338人，戶數為185,777戶（111年底桃園區戶政事務所統計資料），土地面積為34.3723平方公里，約佔桃園市土地總面積1,191.75平方公里之2.88%，在全市13區中位居第12，面積僅大於八德區。
桃園區共計82里，分為市中區、埔子區、中路區、大樹林區及會稽區等五大區，各分區面積為市中區1.9410平方公里，埔子區面積9.0145平方公里，中路區面積10.9060平方公里，大樹林區面積3.8583平方公里，會稽區面積8.6525平方公里。桃園區82里中，以埔子區的西埔里面積最大2.9658平方公里，佔桃園區面積8.63%，次為中路區的中德里2.4704平方公里，佔總面積7.19%，而以市中區的長美里0.0443平方公里及市中區的西湖里0.0555平方公里為最小，分別各僅佔桃園區總面積0.13%及0.16%。