南山區位於廣東省深圳經濟特區西部，北緯 22°24′至22°39′，東經113°53′（陸上）至114°1′。行政區域東起車公廟與福田區相鄰，西至南頭安樂村、赤尾村與寶安區毗連，北背羊臺山與寶安區接壤，南臨蛇口港、大鏟島和內。
伶仃島與香港元朗相望。地形為南北長、東西窄，南北最長處約17公裏（羊臺山到獅山），東西最窄處2.5公裏。全區總面積193.3平方公裏，其中二線(特區管理線)內150.6平方公裏，二線外31.4平方公裏（包括內伶仃島和大鏟島），海岸線長43.7公裏。南山區東距汕頭272.8公裏(直線距離)，東南距香港元朗5.5公裏，東北距惠州61.6公裏，西北距東莞61.3公裏，西距廣州102.4公裏，西南距珠海、澳門59.1公裏。