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，極南為中德里中路北街，極北為汴洲里經國路春日路交接處。

本區人口數為453,275人，戶數為173,361戶（109年1月桃園區戶政事務所統計資料），土地面積為34.8046平方公里，約佔桃園市土地總面積1,220.9540平方公里之2.85%，在全市13區中位居第12，面積僅大於八德區。

桃園區共計79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2.2079平方公里，埔子區面積9.4656平方公里，中路區面積10.3203平方公里，大樹林區面積3.8954平方公里，會稽區面積9.9704平方公里。桃園區79里中，以會稽區的汴洲里面積最大2.273平方公里，佔桃園區面積6.53%，次為中路區的中德里2.05平方公里，佔總面積5.89%，而以市中區的長美里0.035平方公里及市中區的民生里0.052平方公里為最小，分別各僅佔桃園區總面積0.10%及0.15%。