天元区位于株洲市河西地区。东隔湘江与株洲市河东地区为界，南与株洲县古岳峰镇及堂市乡相邻，西与湘潭县接壤。

天元区辖三个街道、四个镇：嵩山路街道、泰山路街道、栗雨街道、马家河镇、群丰镇、雷打石镇、三门镇。

天元区是株洲市政治中心，株洲市政府、株洲市委、天元区政府、株洲军分区驻地、株洲市高新技术产业开发区都位于此，使天元区成为国家级高新技术产业开发区的现代化新城区。

天元区境内著名景点有湘江风光带、神农城、栗雨休闲谷、湘江古桑洲、空灵寺、资福寺、龙门寺。