溧水區東鄰溧陽市，南連高淳區，西與安徽省馬鞍山市博望區毗鄰，西北與江寧區交界，東北與句容市接壤，地處北緯31°23′～31°48′，東經118°51′～119°14′，面積1067平方公里。
地貌
溧水區屬寧鎮揚丘陵山區，地勢東南高西北低，低山丘陵面積佔總面積72.5%，最高海拔368.5米。區境內浮山、東廬山、回峰山、芳山、秋湖山、無想山拱據東、南，連綿環列，西橫山突兀西端，逶迤綿延。
溧水區地處茅山山脈突起綿延區，境內山丘個體低矮離散，地勢東高西低，以石臼湖、秦淮河兩大水系分水嶺為界，北部秦淮河水系地勢東南高西北低，南部石臼湖水系地勢從東北兩個方向由高向低傾斜，匯交於湖區。總地形為丘、崗、土旁、衝犬牙交錯，緩丘漫崗綿延，並呈明顯的階梯分佈。最高一級階梯由海拔100米以上的低山組成，第二階梯由海拔50米以上的低矮平緩丘陵組成，第三階梯由溝谷地及濱河湖圩區組成。第一、二階梯是區內林業生產基地，第三階梯是區內農業生產及經濟林果的主要基地。
溧水地區的地層和地質構造，屬揚子古陸下揚子臺褶帶構造單元。區內第四紀沉積層廣泛分佈，為主要成土母質，除較陡的山坡、山地、河（溝）邊坡外，在低山丘陵及其坡麓地帶和河（溝）谷，都覆蓋著岩層的風化殘積物和坡積物發育成的酸性黃壤土，土層厚薄不一，河口三角洲廣佈洪積土和沖積土，湖積土僅見於石臼湖。
水文
溧水區地域主要分屬石臼湖水系和秦淮河水系，僅東南角有2.73平方公里山區地屬太湖水系的湖西地區。兩大水系的分水嶺東西向橫貫區境中部。走向：從東方水庫上游句容市境內九里崗起，經王家棚到溧水區境內朱家邊，沿袁白公路（高崗地）到區茶場、七里崗、賀家山、官塘、梔子崗、路子山，串秋湖山、雙尖山、馬鞍山、平安山主峰，經西旺到胭脂崗，到天生橋閘跨天生橋河，到燕子口入小茅山主峰，再經彭家、馬上山、翟家、左山、王家店，過羅家進入安徽境，又折而向西北入西橫山。分水嶺將區境內河流流勢分為南北兩向，北水流歸秦淮河，南水匯入石臼湖。
石臼湖水系
石臼湖湖泊面積207.65平方公里，屬溧水區面積90.4平方公里。匯水面積582.54平方公里，水系內主河道全長53.57公里。其中，新橋河全長26.28公里，匯水面積204.36平方公里；雲鶴支河全長11.99公里，匯水面積103.17平方公里。此外，在和鳳鎮龍頭水庫以南有一片川穀地區，面積16.85平方公里，匯水入固城湖，為石臼湖水系中的一個獨立支系。
秦淮河水系
溧水區是秦淮河上游的南源，屬秦淮河的主要支流之一。其中，一干河全長為28.3公里，匯水面積172.98平方公里；二幹河全長25.60公里，匯水面積227.10平方公里；三幹河全長11.19公里，匯水面積64.74平方公里。
氣候
溧水區屬亞熱帶季風氣候，年平均氣溫15.5度，年平均日照2146小時，年平均降水1037毫米，春夏秋冬，四季分明，原始植被完好，自然環境優良。空氣質量常年達國家二級標準。
2011年，年平均氣溫16.3度，比常年偏高0.7度；年降水量958.1毫米，比常年偏少一成；年日照2025.1小時，與常年持平。全年雪日14天。其中，範圍和影響程度較大降雪天氣主要集中在1月份。受北方冷空氣與西南暖溼氣流持續交匯影響，1月18～21日，出現連續4天降雪，前期地面氣溫低，積雪和道路結冰現象嚴重。上半年溧水區乾旱較為嚴重，乾旱等級一度達到重旱。期間，1～5月，降水量與常年同期相比，偏少六成，為歷史同期最少值。溧水區除中型庫蓄水較好外，其他庫塘蓄水嚴重不足，9座小水庫到死庫水位以下，石臼湖、部分塘壩乾涸，石臼湖地區水源嚴重不足。溧水區3.67萬公頃農作物受旱。其中，嚴重受旱1萬公頃，3300多公頃水產養殖受影響，農業經濟損失3.83億元。6月14日入梅，偏早。7月21日出梅，較遲。梅雨期長，為37天（常年平均22天）。入梅後降水呈局地性、過程性、短時降水強度大、雨日多特點。由於陰雨天氣多、氣溫偏低、光照嚴重不足，造成部分農業設施受損、農田被淹。8月22～31日，持續降水、多雨、低溫、少日照天氣，對水稻生長髮育影響較大，導致水稻總體長勢偏弱，病蟲害發病較為普遍。9月17～19日，受較強冷空氣影響，溧水區大幅降溫，水稻遭受寒露風影響，不利灌漿。全年主要氣象災害為寒潮、冰凍、乾旱、暴雨、颱風、大霧等。與往年相比，2011年氣象災害發生較少，但乾旱、暴雨危害程度較重。
水資源
南京市最大的淡水湖位於溧水區西南，分屬秦淮河水系的一、二、三幹河和石臼湖水系的天生橋河、新橋河、雲鶴支河貫通全境，河流全長118.7公里。溧水區有中小型水庫79座，其中方邊水庫（東屏湖）、中山水庫（中山湖）分別為南京市第二、第三大水庫。山水天然組合，原始植被完好，森林覆蓋率31.8%，生態環境優良。
礦產資源
溧水區礦產已發掘的有金、銅、鍺、鍶、磷等19個礦種，其中已探明的鍶儲量佔世界總量的十分之一，鍶產品出口世界許多國家和地區，金屬礦產有鍶、銅、鉛、鋅、鍺、鐵、金、銀8種，非金屬礦有水泥用石灰岩、建築石料用火山岩、石灰岩、砂岩、砂、耐火粘土、高嶺土和磚瓦用粘土，能源礦有鈾礦，水氣礦有礦泉水。
植物資源
溧水區境內山丘起伏，具有獨到的農業自然資源，境內有2個農林場圃，有耕地46萬畝，山地38萬畝，水面26萬畝，建有全國最大的黑莓有機食品試驗示範基地，有機產品全部出口，享譽世界；江蘇省最大的蜂蜜出口、苧麻、山梔基地；以及省級波爾羊繁育基地和傅家邊農業科技園。
溧水區有耕地面積4.24萬公頃，盛產水稻、小麥、棉花及油類等農作物。水域面積2.76萬公頃，魚、蟹、鱉等水產資源豐富，菱、藕等水生植物繁多。山林面積1.47萬公頃，遍佈林、桑、茶、果、麻等，有徐長卿、蒼朮、桔梗、沙參、明黨參等中藥材500餘種。
動物資源
溧水區有南京市最大的茶葉、青梅、板栗、蘆筍、蠶桑、中藥材和獺兔飼養基地。山區有狼、豺、黃鼬、野兔等野生動物。
2017年，溧水區戶籍人口43.91萬人，增長12.45‰；常住人口46.39萬人。在戶籍人口中，男性人口為22.11萬人，女性人口為21.80萬人。 0—17歲人口為6.93萬人；18—34歲人口為9.38萬人；35-59歲人口為17.61萬人；60歲及以上人口為9.99萬人。2017年人口出生率為14.74‰；人口死亡率為7.95‰；人口自然增長率為6.79‰。
溧水區居民以漢族為主，2011年，溧水區有31個少數民族，分別是：彝族、苗族、回族、布依族、白族、僳僳族、滿族、蒙古族、土家族、壯族、瑤族、佤族、黎族、侗族、傣族、朝鮮族、藏族、維吾爾族、拉祜族、水族、東鄉族、土族、毛南族、仡佬族、錫伯族、阿昌族、京族、哈尼族、仫佬族、羌族、布朗族。其中，回族、苗族、彝族人數居多。第六次人口普查統計，溧水區少數民族人口1070人，散居在各鎮（區）。
公元前1122年，周武王克商，分封諸侯，封周章於吳地，國號吳。溧水故地屬吳。
溧水區
春秋戰國時期，爭霸、兼併戰爭頻繁，溧水故地成為楚、吳相爭之地。
秦王政二十六年（公元前221）統一中國，廢分封，置郡縣，溧水故地屬會稽郡溧陽縣。
漢高祖五年（公元前202），劉邦攻滅西楚，統一全國，溧陽縣屬鄣郡。
漢武帝劉徹元狩二年（公元前121），廢鄣郡，置丹陽郡，溧陽縣屬之。
三國吳黃武元年（222），析溧陽置永安縣。寶鼎元年（266），以永安隸吳興郡。
西晉初，永安屬丹陽郡。太康元年（280），改永安為永世。永興元年（304）析永世置平陵縣，俱屬義興郡。後尋還丹陽。永嘉四年（310），又分永世、平陵等縣。
南朝宋永初元年（420），溧陽、永世隸丹陽郡，屬揚州。大明七年（463），以王畿之內郡屬南徐州。大明八年（464），以王畿諸郡復為揚州。
隋開皇十一年（591）析溧陽西北境及丹陽（今江寧小丹陽）故地東部置溧水縣，此為溧水建縣之始，到如今已有1400多年的歷史。
元元貞元年（1295）升溧水為州。
明洪武二年（1369）復改州為縣。弘治四年（1491），析溧水西南境置高淳縣。
清代時溧水屬江寧府。
民國時期，溧水縣內區域建置常有變更。
1949年4月25日，溧水解放後，實行區建制，屬蘇南行政公署鎮江專區。
1953年，屬江蘇省鎮江專區。
1956年9月撤銷區建制，溧水縣劃為16個鄉、1個鎮。
1958年，16個鄉、1個鎮成立17個人民公社。
1983年3月，溧水縣由鎮江專區劃屬南京市。
1984年4月，行政體制變革，恢復鄉鎮建制。
2000年2月，溧水縣完成撤鄉建鎮，實行鎮管村體制，溧水縣設8個鎮、1個省級開發區，至2005年未變。
2013年2月，經國務院、省政府批覆同意：撤銷溧水縣，設立南京市溧水區，以原溧水縣的行政區域為南京市溧水區的行政區域。自此，溧水結束了1422年的縣制歷史。
2015年7月，永陽鎮、柘塘鎮撤鎮設街：撤銷南京市溧水區永陽鎮，以原永陽鎮行政區域設立溧水區永陽街道辦事處，街道辦事處駐秦淮路34號；撤銷南京市溧水區柘塘鎮，以原柘塘鎮行政區域設立溧水區柘塘街道辦事處，街道辦事處駐團山西路8號。
2018年5月15日，江蘇省政府公佈關於調整南京市溧水區部分行政區劃的批覆，同意撤銷溧水區東屏鎮、洪藍鎮、石湫鎮，分別設立東屏街道、洪藍街道和石湫街道。
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