戸畑区は、北九州市のほぼ中央に位置し、東西5.9キロメートル、南北6.6キロメートル、面積は約16.6平方キロメートルで北九州全域の約3.4%を占めています。
区内で一番高い所は金比羅山の124.8メートル、最も低いのは大字中原の2.1メートルです。
北は区の面積の約45%を占める日本製鉄株式会社九州製鉄所があり、南は八幡東区との境をなすように低い丘陵が続く比較的平坦な市街地をなしています。 西部の洞海湾に面した地域には日本水産、AGC(旧社名 旭硝子)など多くの会社や工場があり、これらを加えると区の面積の約半分が工業用地になっています。