Uludağ'ın eteklerine kurulmuş Yıldırım ilçesinin doğusunda Kestel ve Gürsu, kuzeyinde ve batısında Osmangazi ilçesi vardır. Yüzölçümü 110 kilometrekaredir. Denizden yüksekliği 150-155 metredir. İlçenin güneyinde Uludağ yükselir, kuzeyi düzdür. İlçenin ortasından Bursa-Ankara Karayolu geçer.
