Le territoire communal, entèrement urbanisé, se trouve dans un boucle de la Seine. Il est limitrophe du Vésinet à l'ouest, de Croissy-sur-Seine au sud, de Carrières-sur-Seine et Montesson au nord. À l'est, la Seine le sépare de Rueil-Malmaison (Hauts-de-Seine). L'île des Impressionnistes, rattachée à Chatou, héberge un parc des expositions où est organisée deux fois par an la « foire nationale à la brocante et au jambon ».
Elle est desservie par la station « Chatou-Croissy » du RER, ligne A.