Arpajon est située dans la grande agglomération parisienne au cœur du département de l'Essonne et de la région naturelle du Hurepoix. Le territoire communal ne représente que deux cent quarante hectares, mais c'est la capitale du pays Arpajonnais qui s'étend de Breuillet à Brétigny-sur-Orge et de Leuville-sur-Orge à Cheptainville. La relative petite taille de la commune n'empêche pas une dénivellation importante entre quatre-vingt neuf et quarante-sept mètres d'altitudes et entraîne une concentration relativement importante des constructions, sur près de 80 % du territoire. Les espaces agricoles qui ne représentent que 10 % du territoire sont situés à l'extrême nord-est de la commune en bordure de la route nationale 20. Deux cours d'eau traversent la commune, l'Orge et la Rémarde.

La commune est traversée du nord au sud par la route nationale 20 qui contourne par l'ouest le centre ville. C'est aussi le point convergent des départementales 116 depuis Dourdan, 449 depuis La Ferté-Alais et 152 depuis Brétigny-sur-Orge. Le territoire est aussi traversé du nord-est au sud-ouest par la ligne de chemin de fer Brétigny-Tours empruntée par la ligne C4 du RER.

Arpajon est située à trente kilomètres au sud-ouest de Paris-Notre-Dame, quatorze kilomètres au sud-ouest d'Évry, quatorze kilomètres au sud de Palaiseau, six kilomètres au sud-ouest de Montlhéry, quatorze kilomètres au nord-ouest de La Ferté-Alais, dix-huit kilomètres au nord-est de Dourdan, dix-neuf kilomètres au nord-est d'Étampes et vingt-sept kilomètres au nord-ouest de Milly-la-Forêt.

La commune est aussi située à quatre cent onze kilomètres au nord de son homonyme Arpajon-sur-Cère dans le Cantal.