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Il distretto di Tongzhou si trova nella parte sud-orientale di Beijing e all'estremità settentrionale del Canale Jing-Hang. È largo 36,5 chilometri da est a ovest e lungo 48 chilometri da nord a sud, per una superficie di 906 chilometri quadrati. Confina a ovest con i distretti di Chaoyang e Daxing, a nord con il distretto di Shunyi, a est con la città di Sanhe, la Contea Autonoma Hui di Dachang e la contea di Xianghe della provincia di Hebei attraverso il fiume Chaobai e a sud con il distretto di Wuqing della città di Tianjin e la città di Langfang della provincia di Hebei. È vicina al Central Business District (CBD) di Beijing, a 13 chilometri dal China World Trade Centre a ovest, a 16 chilometri dall’Aeroporto Internazionale di Beijing Capitale (BCIA) a nord e a 100 chilometri dal porto di Tanggu (Tianjin) a est, ed è conosciuto come " Beijing al primo posto, Tianjin al secondo, e Tongzhou il terzo".

L'intero distretto si trova nella pianura alluvionale del fiume Yongding e Chaobai, con un terreno pianeggiante e un'altitudine media di 20 metri. Nel distretto ci sono 13 corsi d’acqua per una lunghezza totale di 245,3 chilometri. I principali fiumi sono il Canale del Nord, il fiume Chaobai, il fiume Liangshui e il fiume Fenggangjian. Il distretto appartiene alla zona climatica temperata continentale semi-umida a regime monsonico.