京都盆地の南西端である乙訓地域の西端に位置し、東は京都市、北は長岡京市、南は桂川・淀川を隔てて八幡市と相対し、西は天王山を背景に大阪府島本町と接して、京都、大阪へそれぞれ15km、30kmの距離にあります。
町域は、5.97平方キロメートルで、北に広く南に狭い扇状をなしています。本町は、京都府の南部、滋賀、奈良にまたがる地域を集水区域とする淀川水系の桂川・宇治川・木津川の三川が合流する地域にあり、また、名神高速道路、東海道本線、新幹線などの国土幹線が縦横に走っており、治水上、交通上、重要な役割を担っています。
大山崎町の地形は、大きく東西に分かれ、町の西は山地で秩父古生層からなり、南端近くに山崎合戦で有名な天王山があります。
一方、東部では、山地の東から小泉川にかけて新旧の洪積層からなる台地と段丘が展開しています。また、国道171号沿いは土地が低く水田が広がり、長い間水害常襲地となっていましたが、治水や埋め立てにより近年は工場や住宅が進出し、景観が大きく変化してきました。