İç Anadolu Bölgesi'nde Ankara iline bağlı olan Sincan'ın kuzeydoğusunda Kazan, doğusunda Etimesgut, güneyinde Yenimahalle, güneybatısında Polatlı, batı, kuzeybatı ve kuzeyinde de Ayaş ilçeleri bulunmaktadır.
İlçe dağlık alanlarla kuşatılmış olup, daha çok orta kesimlerde tektonik çöküntü olan düz alanları vardır. Mürted Ovası diye anılan bu alan doğu ve batıda iki fay çizgisi ile sınırlanır. Kuzeydoğu kesimini Karyağdı dağının batı uzantıları, doğusun Ayaş Dağının uzantıları hakimdir. İlçe topraklarını Sakarya'nın kollarından Ankara Çayı sular. Yüzölçümü 420 km2'dir.