Yenimahalle, ilçe merkezi haricinde engebeli bir arazide kurulmuştur. Denizden yüksekliği 830 metredir. İlçenin yüzölçümü 274 km²'dir.
Komşu illerden gelen Çubuk Çayı, Hatip Çayı ve İncesu Deresi, ilçenin Akköprü mevkiinde birleştikten sonra Çiftlik, Güvercinlik ve Etimesgut'tan geçerek Sincan'a bağlı olan Osmaniye köyü'nün yakınındaki Akıncı Ovası'ndan gelen Ova Çayı ile birleşerek Ankara Çayı adını alır ve Sakarya Nehri'nin büyük bir kolu olarak Polatlı sınırlarına kadar girer.
Yenimahalle ilçesi, kuzeyde Kahramankazan, doğuda Keçiören ve Altındağ, güneyde Etimesgut ve Çankaya, batıda ise Sincan ilçesi ile komşudur.