경기도의 동쪽 끄트머리에 자리잡고 있다. 동쪽은 강원도 홍천군, 횡성군, 원주시, 남서쪽은 여주군, 광주군, 북서쪽은 남양주시, 가평군에 접한다. 면적은 877.78㎢ 이다. 군청 소재지는 양평읍 양근리이다. 군의 중앙부 북쪽에 자리잡고 있는 용문산을 중심으로 대체로 산악지대를 이루고 있다.
주요 산으로는 도일봉, 백운봉 등이 있으며, 북쪽 군계에 통방산, 소리산 등이 있고, 남쪽 군계에 양자산, 파사산, 우두산, 당산 등이 있다. 북한강이 북서지역을 남서류하고, 남한강이 남서지역을 북서류하여 양수리 부근에서 합류, 한강의 본류를 이룬다. 북한강의 지류로는 수입천, 문호천 등이 있고 남한강의 지류로는 흑천이 있다.