烏日區面積有43.4032平方公里，位於臺中市西南端，東邊與南區、大里區及霧峰區相鄰，西以大肚山嶺為界與大肚區為鄰，南沿貓羅溪、大肚溪與芬園鄉及彰化市隔溪相望，北方與南屯區接壤。本區河川頗多，有烏溪、大里溪、貓羅溪、筏子溪、麻園頭溪等，西傍大度山脈，南依八卦山，東靠霧峰山，乃屬山明水秀之地。
本區地形呈長方形，以大里溪為界，分為溪北與溪南兩部。溪北為大肚山台地末端，屬丘陵地形；溪南屬台中盆地之一部，為河道平原。地勢北高南低，海拔介於30～200公尺之間。本區全域在副熱帶境內，全年氣候溫暖，降雨量以夏季較多。



全區的境界在東經120。 34’24”～120。 34’18”，北緯24。 1’39” ～24。 8’23”的地方。