头屯河区位于乌鲁木齐市西郊。东邻新市区，西至昌吉，南靠天山北麓，北与乌鲁木齐县接壤。总面积275.59平方千米，总人口13万人（2008年）。有汉、维吾尔、哈萨克、回、满、锡伯、俄罗斯、蒙古、朝鲜等民族。全区辖5个街道：头屯河街道、火车西站街道、王家沟街道、乌昌路街道、北站西路街道；直辖1个行政村：河南庄村。区政府驻北站公路10号。区境内有兵团农十二师三坪农场、五一农场、头屯河农场。

地势南高北低，头屯河自南向北从境西部流过。土质肥沃，地下水资源丰富。属中温带大陆干旱气候，年均气温6℃，年均降水量300毫米。温差大，寒暑变化剧烈，降水量少，冬季时间长，春秋多大风。是钢铁、石油及石油物资集散、铁路客货运、大型仓储、水泥等大中型企业集中的工业重区。乌鲁木齐火车西站、北站均在区内。乌奎公路、吐乌大公路、乌昌公路穿境而过。