เขตดอนเมืองตั้งอยู่ทางเหนือสุดของกรุงเทพมหานคร มีอาณาเขตติดต่อกับพื้นที่ปกครองต่าง ๆ เรียงตามเข็มนาฬิกา ดังนี้

• ทิศเหนือ ติดต่อกับอำเภอเมืองปทุมธานีและอำเภอลำลูกกา (จังหวัดปทุมธานี) มีคลองบ้านใหม่ คลองเปรมประชากร ซอยเลียบคลองเปรมฯ 6 (เผ่าบุญธรรม) แนวเส้นตรงผ่านแนวรั้วบริษัท ดอนเมืองพัฒนา จำกัด แนวรั้วหมู่บ้านวังทอง แนวรั้วโรงเรียนมัธยมสังคีตวิทยา กรุงเทพมหานคร และแนวรั้วอนุสรณ์สถานแห่งชาติ เป็นเส้นแบ่งเขต
• ทิศตะวันออก ติดต่อกับเขตสายไหมและเขตบางเขน มีถนนพหลโยธินและคลองถนนเป็นเส้นแบ่งเขต
• ทิศใต้ ติดต่อกับเขตหลักสี่ มีคลองวัดหลักสี่ คลองเปรมประชากร และคลองตาอูฐเป็นเส้นแบ่งเขต
• ทิศตะวันตก ติดต่อกับอำเภอปากเกร็ด (จังหวัดนนทบุรี) มีคลองประปาเป็นเส้นแบ่งเขต