La commune de Thiverval-Grignon se trouve dans la plaine de Versailles sur une petite éminence entre la vallée du Maldroit (Plaisir, Saint-Germain-de-la-Grange puis Beynes) et celle du ru de Gally (Chavenay puis en contrebas de Davron et Crespières).
La commune présente deux lieux habités distants de trois kilomètres ; le village de Thiverval, dans la vallée du ru de Gally, et le hameau de Grignon où se trouve le complexe d'AgroParisTech (anciennement Institut national agronomique Paris-Grignon, ex-École nationale supérieure d'agronomie de Grignon).
La commune est limitrophe de Davron au nord-nord-est, de Chavenay à l'est, de Plaisir au sud, de Saint-Germain-de-la-Grange au sud-ouest, de Beynes au nord-ouest, de Crespières au nord-nord-ouest.