Im Osten grenzt Heiligensee an die Ortsteile Frohnau und Hermsdorf, im Süden liegt der angrenzende Ortsteil Tegel mit dem Flughafen. Die nördliche und westliche Grenze entspricht der von Berlin: Die Stadt grenzt hier an den brandenburgischen Landkreis Oberhavel mit den Gemeinden Henningsdorf und Hohen Neudorf. Das ursprüngliche Dorf Heiligensee liegt auf einer Halbinsel zwischen der Havel und dem namensgebenden Heiligensee. Inzwischen erstreckt sich Heiligensee südwärts der Havel bis zum Ortsteil Konradshöhe. Heiligensee beinhaltet die kleine Ortslage Schulzendorf. Eine natürliche Grenze bildet dabei der Tegeler Forst im Osten und Süden und der Nieder Neuendorfer See im Westen.
Heiligensee ist durch die S-Bahn-Linie S 25 (Station: Heiligensee) an das öffentliche Verkehrsnetz angebunden. Die Autobahnanschlussstelle Schulzendorfer Straße bietet eine gute Anbindung an den Cityverkehr.