天河区位于广州市老城区东部，东到玉树尖峰岭、吉山狮山、前进深涌一带，与黄埔区相连；南到珠江，与海珠区隔江相望；西从广州大道、先烈东路、永福路，沿广深铁路方向，与越秀区相接；北到筲箕窝，与白云区相接，2005年广州市行政区划调整后，天河区的总面积约为140平方公里，是建设中的广州市城市中心区。 天河区具有良好的地理区位。从东西方向看，天河区是广州市向东发展城市带的起点。《广州市城市总体规划》（1991～2010 年），确定了广州市建设和用地向东南和东北发展的两个主要方向，向东沿珠江扩展城市用地至黄埔，天河区正好位于这一发展带的西部起点。从南北方向看，天河区是广州市新城市中轴线经过的中心地区。广州新城市中轴线包括城市功能轴线、城市景观轴线和城市发展轴线，上述轴线均经过天河区，这种在空间上聚集的城市轴线可以强化天河的城市形象，有助于提高天河的新城市中心地位和经济竞争能力。 天河区人口密集，境外及台湾人士众多。建国初，天河地区为农村，人口较少，1949年统计为37000人。建国后，人口迅速增长。1990年第四次人口普查，总人口为430153人；2000年第五次人口普查，总人口110.93万人；2003年总人口118万人。其中，广州市外国人和台湾地区在穗常住人士居住在天河区的较多，为广州市各区之最。境外人士中，各种管理人员所占比重最大，其次为常驻机构代表。天河北一带的写字楼是他们经常工作的地方，骏景花园等高尚小区是他们理想的住所。 天河区旅游资源丰富，旅游景区丰富多采。以大观路为轴线的新兴旅游带已初见轮廓。其中：广州世界大观是广州市的“月亮工程”，华南植物园是全国最大的南亚热带植物园，“龙洞琪琳”是羊城旧八景之一和广州十佳景点之一，天河公园被喻为天河区的“区肺”，由农民集资兴办的航天奇观集科普与娱乐为一体。此外，该区还有气势雄伟的天河体育中心、东站广场，以及富有乡村特色的吉山橄榄公园、前进杨桃公园、黄村东公园、长湴休闲公园和广东树木公园，人们可以从中体会到动感的都市风貌和浓烈的郊野风情。
秦始皇三十三年（前214年）设南海郡（郡治番禺，天河属番禺辖地）。 隋开皇十年（590年）撤南海郡，改番禺为南海县（天河为南海县管辖）。 唐朝贞观年间（627～649年）龙眼洞村建有庙宇。南宋时区内大部分村落陆续形成，村民都是从中原南迁而来。 宋皇祐三年（1051年）分设南海县、番禺县（天河属番禺管辖）。元明清三朝天河基本属番禺管核。 清同治年间（1862-1874）番禺鹿步司总部设于东圃，、经济、文化中心。 民国元年（1912年）番禺县直隶广东省，仍分四司：茭塘司、沙湾司、鹿步司、慕德里司。天河仍归属鹿步司。鹿步司主要管辖如今天河、黄埔两区的区域及白云区的部分地区。 建国后，辖区曾多次变更，沙河地区先后隶属于广州市沙河区、石牌区、冼猎杨区、白云区、东区和郊区；东圃地区先后隶属于番禺县、郊区和黄埔区。 1956年6月后，辖区曾一度归属广州市郊区。 1960年5月和1973年2月，东圃地区两次转归黄埔区。 1973年10月至1985年5月建区前，辖区全部属广州市郊区。 1985年，天河区辖：沙河街、五山街、员村街、车陂街、以及沙河区（镇）（含同和乡、京溪乡）、东圃区（镇）。当时面积102.5平方千米，人口20.04万人。 1987年3月，成立石牌街道。9月，同和镇（由同和乡和京溪乡组成）划归白云区管辖。 1990年，天河区常住人口430153人。1991年，天河区暂住人口64694人。 1992年4月，杨箕村从东山区划归天河区。10月9日，设立天河南街道。 1994年2月，原市农工商联合总公司凤凰农工商公司属下的柯木塱、渔沙坦两行政村划归天河区。8月，沙东村二队（自然村）从东山区划归天河区。 1995年8月11日，设立兴华街道、沙东街道、林和街道。暂住人口79603人。 1997年11月18日，设立棠下街道。 1999年9月30日，设立天园街道。12月29日，设立冼村街道、猎德街道。 2000年9月，原属广州市新塘农工商公司的新塘、沐陂、凌塘、玉树4个行政村移交给天河区。年底，天河区辖14个街道、2个镇（沙河镇、东圃镇）。常住人口532325人，暂住人口203397人。 （以下根据第五次人口普查数据；单位：人）总人口1109320人，各街道、镇人口： 五山街道 86900 员村街道 74249 车陂街道 56061 沙河街道 48749 登峰街道 79533 石牌街道 134347 沙东街道 32075 天河南街道 57537 林和街道 55735 兴华街道 77415 棠下街道 67188 天园街道 31920 冼村街道 28746 猎德街道 16838 东圃镇 108015 沙河镇 154012 2001年10月，设立黄村街道、元岗街道。 2002年12月，撤销沙河镇，设立龙洞、长兴和凤凰3个街道；撤销东圃镇，设立前进、珠吉和新塘3个街道。12月31日，6个街道正式挂牌成立。年底，天河区辖22个街道（五山 员村 车陂 沙河 登峰 石牌 光华 沙东 林和 棠下 猎德 冼村 天园 天河南 元岗 黄村 龙洞 长兴 凤凰 前进 珠吉 新塘）。 2003年1月，新塘街道玉树行政村划归广州经济技术开发区。年底，天河区辖22个街道（沙河、五山、车陂、员村、石牌、登峰、天河南、林和、沙东、兴华、棠下、猎德、天园、冼村、黄村、元岗、珠吉、新塘、龙洞、长兴、凤凰、前进），面积147.77平方千米，常住人口598109人，暂住人口584926人。 2004年天河区区划一览：辖22个街道。
天河区按地势分为三个区域：北部是以火成岩为主构成的低山丘陵区，海拔一般在222～400米；中部是以变质岩为主构成的台地，海拔一般为30～50米；南部是由沉积岩构成的冲积平原区，海拔大多只有1.5～2米。地势由北向南倾斜，形成低山丘陵、台地、冲积平原地台。其中，丘陵约占十分之二，台地也约占十分之二，平原约占十分之六。
中部台地区的地质较为复杂。2006年2月，地铁三号线工程在穿越天河客运站至华南师范大学地下时，先是遇到花岗岩残积土层，遇水极易软化崩解，一挖就塌，83米隧道竟挖了三年。后又遇到五山地下孤石群，硬度非常高，开始时一天才挖7厘米，致使停工半年，后采用多种爆破等世界先进技术才解决。在穿越瘦狗岭地下断裂带（现农科院幼儿园地下16米）时，出现地下水喷涌，地面崩塌。
北部低山主要有筲箕窝（220米）、杓麻山（388米）、大和嶂（391米）、石狮顶（304米）、洞旗峰（312米）、火炉山（322米），在低处形成筲箕窝、龙洞和华南植物园等宽谷和盆地。中部台地从东到西分布有吉山台地和五山台地。五山台地中有突出的瘦狗岭（131米）。南部冲积平原分布在珠江沿岸的东圃、员村、石牌、猎德一带，并有七涌一湖。七涌从东到西依次为深涌（6.25公里）、车陂涌（27.8公里）、棠下涌（4.25公里）、程界涌（2公里）、谭村涌（2.2公里）、猎德涌（7.26公里）、沙河涌（15.12公里）。七涌基本上都由北向南流入珠江。一湖是天河公园中心湖（100亩）。南临珠江，江岸线11公里。
1995年后，区内低山丘陵区的采石作业逐步停止，大部分山头开始复绿。同时，区内河涌也开始大规模整治，砌上混凝土堤岸。十年间，由于城区面积迅速扩大，原有的山丘成为民居，村中大量建房，致使河涌变窄，支流断流，湖泊缩小，池塘大部分被填平。如1996年沙河涌西支涌改成为下水道；1966年修建的长湴村田坑湖，面积65亩，平均水深2.2米，1996年因广汕公路扩建征用和建设长湴新村被填平；新塘村村名由来的“新塘”，原有面积达300亩，因为年年淤塞，终于在2000年完全被填平。
2005年，天河区除东北部还有少量农田外，辖区内大部分已成城区。
1991～2005年，天河区由于城市化，耕地平均以每年1000亩的速度锐减。2004年除东北部外，靠近广州市老城区的地方已无耕地。
至2005年，天河区尚有地形坡度大于25度难于利用的低山丘陵土地42平方公里，主要集中在区的东北部。
至2005年，天河区的山林面积按所有权属镇村部分约有3.7万亩，加上省市单位的林地，共计约有5万亩。主要分布在北部、西北、东北和中部低山丘陵区。由天然林和人工林组成，包括用材林、防护林、特种林、经济林、竹林、蔬林、灌木林等。辖区内自然植被主要有季风常绿阔叶林、针叶林、灌草丛等群落，共30多个科、50多个属、100多个种。
天河区重视植树造林，建设村镇公园。东北部绿色生态走廊已开始建设，植物覆盖面积逐步增加。2005年，全区绿化率达36.38%，建成区达5%，森林覆盖率约在13.7%。
天河区地下水资源丰富。其中，已开发的有珠村矿泉水、龙眼洞矿泉水、凤凰山矿泉水，但产量不大。珠村矿泉水于1991年开发，生产“珠碧泉”矿泉水，1995年7月，由于效益差，宣布结业。龙洞广州天河天然矿泉水厂于1991年5月100万元开发洞旗峰矿泉水，至2000年也基本停产。1997年起，柯木塱长寿村地下纯净水得到大量开发。1996年11月，据报章报道，发现从龙眼洞到太和帽峰山一带约200平方公里的地下有大量水源，水质为偏硅型，低纳、低矿化度，口感好，日开采量可达9099立方米。此外，从天河北路到瘦狗岭一带地下有温泉水源，水温达36℃，有丰富的偏硅酸、氟、铁等微量元素，有一定的医疗作用。至今，尚未开发的还有位于沙河禺东西路军体院一带的矿泉水源。
此外，新塘、吉山、龙洞、渔沙坦一带丘陵台地还有一些百年井泉。
铋、钨。分布于龙眼洞南社水冲岭、白虎窿一带，深窿、大窝、崩岗等处也有。1956年国家在此开办金色金属矿物，开采矿石。
铝。分布于马坑园村东侧，表土层一米以下的土壤是一种黑白混合泥。因其含铝量高达23～28%，被称为铝质泥。储量不详。60年代开采，加工成泥粉，出售给车陂水厂和郊区铝厂，数量已超过15000吨。水厂用于深沉水中的杂质；铝厂则用于制取硫酸铝。
河沙。1991年前，尚有沙河涌等河涌上游的河沙可采用为建筑材料。后来由于环境污染，河水变浊，可利用利用的河沙逐渐减少。至2000年，已无河沙可采。
岩石。岩石资源以花岗石为主，主要分布在北部的岑村火炉山和龙眼洞的洞旗峰一带。早在建国初的1951年，火炉山就有东升石矿场开始采石。至1991年，火炉山下有市东升石矿场、凌塘、新塘等石材场，洞旗峰下主要有市派安石矿场和龙眼洞石场，还有元岗、长湴等石材场，大小共44个石场。1995年后，为保护生态环境，石场陆续关闭。
长湴村往东一带有地下林木。长湴，古时是沼泽地，因泥湴过膝得名。据说地下六七米深处有古河道和林木。60年代很多村民采掘深至2.5米时发现，泥层中尚有未腐透的乔木。