国分寺市は東西約5.68km、南北約3.86kmにわたって広がり、大部分が武蔵野段丘の平坦面上である。
市域の大部分を占める高台上の平坦地である武蔵野台地と、国分寺崖線を境に一段低い立川台地、および高台を刻んで流れる野川上流の谷でできている。国分寺崖線は「ハケ」とも呼ばれ、大昔立川台地の形成期に多摩川が武蔵野台地を浸食してできた浸食崖である。上流は武蔵村山市残堀付近から始まり、市内西町5丁目（高さ約5m）、光町1丁目（高さ約11m） 、西元町（高さ約12m）及び東元町1丁目と南町の境（高さ約16m）へと続き、さらに野川の東岸に沿って大田区丸子橋付近まで伸びている。また、「お鷹の道・真姿の池湧水群」（名水百選に選定）と言われる湧水群があり、ハケ下の野川に流れ込んでいる。