南沙区位于广州市最南端、珠江虎门水道西岸，是西江、北江、东江三江汇集之处；东与东莞市隔江相望，西与中山市、佛山市顺德区接壤，北以沙湾水道为界，与广州市番禺区隔水相连，南濒珠江出海口伶仃洋。规划总面积803平方千米，2025年城市建成区面积160.23平方千米。地处珠江出海口和粤港澳大湾区地理几何中心，距香港38海里、澳门41海里，是珠江流域通向海洋的通道、连接珠江口岸城市群和港澳地区的重要枢纽性节点、广州市唯一出海通道。自贸区南沙新区片区面积60平方千米，由7个区块组成，是广东自贸试验区面积最大的片区。
【地质·地貌】南沙区地质基底由古生界变质岩系构成，最老的下古生界震旦系变质砂岩、板岩、片岩及硅质岩，分布在南沙街道塘坑村至南沙林场鸢鹅山一带；加里东期混合花岗岩分布在南沙街道深湾村；大面积基岩是燕山期细粒、中粒、粗粒黑云母花岗岩，分布在黄山鲁、大山乸山一带；中新生代断陷盆地沉积陆相砾岩、砂砾岩、砂岩及泥质粉砂岩，分布于大虎山和小虎山一带。区内地层出露缺失不全，主要有震旦系、第三系（包括下第三系和新第三系）、第四系（包括上更新统和全新统）等。
南沙区地貌表现为明显的河口冲积形态，区内水网密布，地势平坦。陆地大部分为平原田地，由河道沉积和人工围垦共同作用形成。南沙区陆域海拔较低，平均高程在2米以下，且大多为淤泥、软土，部分地区软土层厚度可达40米，地下水位较浅。全区零星分布大山乸、庐前山、骝岗山、大虎山、小虎山、黄山鲁、十八罗汉山等山丘，制高点位于黄山鲁。南沙区地貌大致分为三类：流水地貌、海成地貌、潮间带地貌。
【气候】2025年，南沙区平均气温为23.9℃，较近10年平均值（23.8℃）偏高0.1℃。年降水量为1811.3毫米，较近10年平均值（1905.4毫米）偏少5%。人居环境气候舒适度呈现“冬半年舒适日数增多、夏半年舒适日数减少”的特征。全年高温日数21天，较近10年平均值（20天）多1天；7月高温日数13天，刷新单月高温日数纪录。最低气温10.0℃以下寒冷日数9天，较近10年平均值（12.8天）偏少3.8天。降水日数137天，暴雨日数10天，与近10年平均值（10天）持平，其中8月15日录得全年最大日降水量132.7毫米；最长连续降水日数为12天（6月11日—6月22日）；最长连续无降水日数为22天（1月1日—1月22日）。年平均风速为2.4米/秒，较近10年平均值（2.6米/秒）偏小7.7%。灰霾日数为9天，较近10年平均值（26.2天）少17.2天。年平均相对湿度为76%，较近10年平均值（75%）偏高1个百分点。舒适日数为228天，较近5年平均值（229天）偏少1天。
【自然资源】南沙区区域辽阔，位于珠江出海口，滩涂众多，土地资源丰富。主要矿产资源有花岗岩、红砂岩等。花岗岩主要分布在黄阁镇、大岗镇、南沙街道、港湾街道。红砂岩主要分布在黄阁镇、大岗镇。南沙区水资源丰富，全区海岸线195.13千米，海域面积337.78平方千米，占广州市海域总面积的88.26%。拥有海岛11个，其中面积大于500平方米的海岛有10个。南沙区处于海水淡水交汇点，水网密布，具有生态结构丰富的湿地生态系统，拥有广州市最大的湿地系统——南沙湿地。南沙区是广州市红树林分布面积最大的区域，总面积198.18公顷，其中坦头红树林是广州市最大天然红树林。
【人口】2025年末，南沙区有常住人口99.32万人，户籍人口59.64万人，流动人口（登记在册）67.8万人。全区出生人口8628人，出生率8.92‰；死亡人口2693人，死亡率2.78‰；自然增长人数5935人，人口自然增长率为6.13‰。南沙区少数民族有壮族、瑶族、土家族、苗族等48个族别。