İlçe Trakya'nın Güneydoğusunda Çatalca Yarımadasının Marmara Denizine bakan yamaçlarının bu denizle birleştiği yerdedir. İlçenin toprakları 29 derece doğu boylamı, 41 derece kuzey enlemi üzerinde bulunmaktadır. İlçe topraklarının Güneyden kuzeye uzunluğu 5.5 km, Doğu - Batı doğrultusundaki genişliği 2.5 km'yi bulmaktadır.
Doğusunda Fatih, Batısında Bakırköy ve Güngören, Kuzeyinde Bayrampaşa, Eyüp Güneyinde ise Marmara Denizi bulunmaktadır.
İklim; Marmara denizinin kıyısında bulunan Zeytinburnu İlçesinde nem etkili rol oynar. İlçe topraklarının denizden ortalama yüksekliği 30-35 m'dir.Deniz kıyısından içerlere doğru hiçbir engele rastlanmaz. İlçenin doğu kesimi Marmara denizinden kuzeye doğru az bir meyille yükselir, bu yükseklik Maltepe'de 51 m'yi bulur.Güney kısmı Yedikule'den Yenimahalle'deki eski Sümerbank fabrikasının olduğu yere kadar düz bir ova görünümündedir. Daha önceki bitki örtüsü bodur çalılıklarla olan İlçe toprakları yerleşim ve sanayi alanı olmuştur.