- Phía bắc giáp Hà Nội
- Phía đông đối diện với thành phố Hưng Yên và huyện Kim Động của tỉnh Hưng Yên qua sông Hồng và huyện Lý Nhân.
- Phía nam giáp huyện Bình Lục và thành phố Phủ Lý.
- Phía tây giáp Hà Nội và huyện Kim Bảng.
Thị trấn Hòa Mạc là trung tâm kinh tế - chính trị - văn hóa của huyện, nằm trên tuyến Quốc lộ 38 nối liền Duy Tiên với huyện Kim Bảng và thành phố Hưng Yên. Ngoài ra huyện còn có thị trấn Đồng Văn nằm trên trục đường Quốc lộ 1A và tuyến đường sắt Bắc - Nam, hiện nay khu công nghiệp tập trung của tỉnh đang được đầu tư xây dựng ở đây.
Huyện Duy Tiên nằm trong vành đai của Vùng đô thị Hà Nội, cách trung tâm Thủ đô Hà Nội khoảng 60 km, với việc hình thành tuyến cao tốc Bắc - Nam là yếu tố thuận lợi để Duy Tiên phát triển; là điều kiện quan trọng tạo lợi thế so sánh cho Duy Tiên trong việc mở rộng hợp tác, giao lưu kinh tế với các địa phương khác.
2. Địa hình, địa mạo
Huyện có địa hình đặc trưng của vùng đồng bằng thuộc khu vực châu thổ Sông Hồng chủ yếu là vàn, vàn cao và tương đối bằng phẳng. Nhìn chung địa hình của huyện khá thuận lợi cho phát triển sản xuất nông nghiệp, đặc biệt là trồng lúa và cây vụ đông. Địa hình của huyện được chia thành 2 tiểu địa hình.
- Vùng ven đê sông Hồng và sông Châu Giang bao gồm các xã Mộc Nam, Mộc Bắc, Châu Giang, Yên Nam, Đọi Sơn ... có địa hình cao hơn, đặc biệt là khu vực núi Đọi, núi Điệp thuộc các xã Đọi Sơn và Yên Nam.
- Vùng có địa hình thấp bao gồm các xã nội đồng như Tiên Nội, Tiên Ngoại, Yên Bắc chiếm phần lớn diện tích tự nhiên của huyện; độ cao phổ biến từ 1-2 m, bằng phẳng, xen kẽ là các gò nhỏ, ao, hồ, đầm.
3. Khí hậu
Duy Tiên có khí hậu nhiệt đới gió mùa, nóng ẩm, mưa nhiều thuộc khí hậu vùng đồng bằng Bắc Bộ chịu ảnh hưởng sâu sắc của gió mùa đông bắc và gió mùa đông nam, đặc điểm nổi bật nhất là sự tương phản giữa mùa đông và mùa hè, cả về tính chất phạm vi và cường độ của các trung tâm khí áp, các khối không khí thịnh hành và hệ thống thời tiết kèm theo cũng thay đổi theo mùa.
- Mùa mưa: Bắt đầu từ tháng 4 và kết thúc vào tháng 10 với đặc trưng là nóng, ẩm và mưa nhiều. Hướng gió thịnh hành là gió Đông - Nam với tốc độ 2-4m/s. Nhiệt độ trung bình cao nhất 380C, lượng mưa từ 1.100-1.500 mm, chiếm 80% lượng mưa cả năm.
- Mùa khô: Bắt đầu từ giữa tháng 11 cho đến cuối tháng 3 năm sau, có khí hậu lạnh, ít mưa. Hướng gió thịnh hành là gió Đông – Bắc, thường gây lạnh đột ngột. Nhiệt độ trung bình thấp nhất là 150C, lượng mưa ít, chỉ đạt từ 15-20% lượng mưa cả năm.
Sau đây là một số yếu tố khí hậu chính của huyện:
- Nhiệt độ: Nhiệt độ trung bình năm dao động 23,20C đến 24,6oC.
+ Về mùa đông, nhiệt độ trung bình là 20,1oC. Các tháng lạnh nhất trong năm là tháng 11, 12. Nhiệt độ thấp nhất tới 6 – 8oC.
+ Về mùa hè nhiệt độ trung bình là 28oC. Các tháng nóng nhất trong năm là tháng 6, 7. Nhiệt độ cao nhất đến 32 - 35oC.
+ Biên độ nhiệt trong ngày nhỏ hơn 100C
+ Lượng bức xạ mặt trời trung bình năm 100Kcal/cm2
+ Tổng tích ôn khoảng 8.3000C
- Lượng mưa: Lương mưa hàng năm từ 1.800-2.000 mm. Mưa tập trung vào các tháng 7, 8, 9 với gần 80% tổng lượng mưa trong năm. Ngày có lượng mưa cao nhất lên đến 200-250 mm.
- Độ ẩm không khí: Độ ẩm không khí trung bình trong cả năm dao động trong khoảng từ 83-85%. Các tháng có độ ẩm không khí cao là tháng 7 và tháng 8 (92%), thấp nhất vào các ngày có gió Tây Nam, có khi xuống dưới 80%.
- Nắng: Số giờ nắng trung bình năm 1.200-1.600 giờ, thuận lợi cho việc phát triển nhiều loại cây trồng và trồng được nhiều vụ trong năm. Mùa đông số giờ nắng chiếm trung bình 28% tổng số giờ nắng cả năm. Có tháng chỉ có 17, 9 giờ nắng, trời âm u, độ ẩm cao sâu bệnh phát triển ảnh hưởng xấu đến sản xuất nông nghiệp. Mùa hè có tổng số giờ nắng lớn. Các tháng có số giờ nắng cao là tháng 5, 6, 10.
- Gió, bão: Tốc độ gió trung bình 2 - 2,3 m/s. Trong năm có hai hướng gió thịnh hành: Mùa đông có hướng gió thịnh hành là Đông Bắc, với tần suất 60-70% và tốc độ gió trung bình thường từ 2,4 - 2,6 m/s; Mùa hè có hướng gió thịnh hành là hướng Đông Nam, với tần suất 50-70% và tốc độ gió trung bình đạt 1,9 - 2,2 m/s. Khi có bão đổ bộ tốc độ gió đạt gần 40 m/s.
4. Thuỷ văn
Duy Tiên có mạng lưới sông ngòi tương đối dày đặc với 3 con sông lớn chảy qua là sông Hồng, sông Châu Giang và sông Nhuệ với diện tích 864 ha, mật độ sông đạt 0,5 km/km2, mức ứ nước cao nhất là 0,5 m, thấp nhất là 0,1 m.
- Sông Hồng có lượng nước khá dồi dào là nguồn cung cấp nước chính cho tỉnh Hà Nam qua sông Nhuệ và các trạm bơm, cống ven sông. Chiều dài sông chạy qua tỉnh 38,64 km tạo thành ranh giới tự nhiên giữa Hà Nam với tỉnh Hưng Yên và tỉnh Thái Bình, hàng năm bồi đắp phù sa cho diện tích đất ngoài đê và cho đồng ruộng qua hệ thống bơm tưới từ sông Hồng.
- Sông Châu Giang đi qua địa phận huyện từ Bạch Thượng qua đập Phúc và nối với sông Đáy tại Phủ Lý dài 28 km, đồng thời là ranh giới tự nhiên của huyện Thanh Liêm, Bình Lục, Lý Nhân. Trên sông có đập ngăn nước làm nhiệm vụ tưới tiêu cho các vùng đất trong huyện.
- Sông Nhuệ là sông đào nối sông Hồng tại Hà Nội và hợp lưu với sông Đáy tại Phủ Lý. Đoạn qua Duy Tiên dài 13 km, sông có tác dụng tiêu nước nội vùng đổ ra sông Đáy vào mùa mưa và tiếp nước cho sản xuất vào mùa khô.
Ngoài 3 sông chính, huyện còn có mạng lưới các sông ngòi nhỏ với các ao, hồ, đầm là nguồn bổ sung và dự trữ rất quan trọng khi mực nước các sông chính xuống thấp, đặc biệt vào mùa khô hạn.