Der Kreis Fürstenfeldbruck liegt im Westen des bayerischen Regierungsbezirks Oberbayern. Nachbarlandkreise sind im Norden der Landkreis Dachau, im Osten die kreisfreie Stadt München und der Landkreis München, im Süden der Landkreis Starnberg, im Südwesten der Landkreis Landsberg am Lech und im Nordwesten der Landkreis Aichach-Friedberg.
Der Landkreis Fürstenfeldbruck lässt sich geologisch in vier Bereiche gliedern. Im Osten und Südosten findet sich flaches Land mit kargen Äckern auf der Münchner Schotterebene. Ganz im Süden, südlich von Moorenweis und Jesenwang findet sich eine von Mischwäldern und Wiesen geprägte Jungmoränenlandschaft, die während der Würmeiszeit entstand. Nördlich davon ist der Großteil des Landkreises bis etwa zur Höhe von Unterschweinbach durch hügeliges Altmoränenland mit fruchtbaren Feldern geprägt. Diese Moränenlandschaft bildete sich während der Riß-Eiszeit. An den Endmoränen bildeten sich sogenannte Toteislöcher aus. Dabei handelt es sich um Seen die sich im Laufe der Zeit zu Mooren verlandet haben. Als Beispiel für ein solches Toteisloch im Landkreis Füstenfeldbruck kann das Haspelmoor aufgeführt werden. Ganz im Norden schließlich, etwa ab einer Linie Tegernbach bei Mittelstetten (Oberbayern), Unterschweinbach und Überacker, findet sich nur leicht gewelltes Hügelland mit lehmig-sandigem Boden. Hier herrschen Nadelwälder und tiefgründige Äcker vor.
Der Landkreis wird vom Süden nach Nordosten von der Amper durchflossen. Etwa parallel dazu, aber weiter nördlich fließt die kleinere Maisach.