Theo quy hoạch, tổng diện tích huyện Thạch Thất vào khoảng 18.459 ha, quy mô dân đến năm 2030 khoảng 648.900 người. Thạch Thất là huyện ngoại thành phía Tây trung tâm Hà Nội với tính chất cơ bản là phát triển khoa học công nghệ, giáo dục và đào tạo chất lượng cao; tiểu thủ công nghiệp làng nghề, địch vụ, du lịch gắn với nông nghiệp sinh thái.

Với 18.459,05ha diện tích tự nhiên, khu vực phát triển đô thị huyện Thạch Thất khoảng 10.134,05ha và khu vực nông thôn khảng 8.325ha. Trong đó, đất xây dựng khu vực đô thị đến năm 2030 khoảng 8.831,8ha, đất xây dựng khu vực nông thôn khoảng 2.473,9ha.

Theo quy hoạch, mô hình không gian huyện Thạch Thất sẽ chuyển từ cấu trúc huyện nông nghiệp - làng nghề, có trung tâm là thị trấn huyện lỵ Liên Quan sang cấu trúc đô thị vệ tinh - hành lang xanh. Cụ thể với các đô thị như sau:

Thị trấn Liên Quan: Là trung tâm hành chính, chính trị, kinh tế thương mại, văn hóa, thể dục thể thao huyện Thạch Thất. Phát triển theo mô hình sinh thái mật độ thấp, mở rộng không gian về phía Nam xã Kim Quan, kết nối với tuyến đường Bắc Nam;

Khu vực thuộc đô thị vệ tinh Hòa Lạc: Là trung tâm khoa học - công nghệ cao của quốc gia. Đầu tư các cơ sở trọng tâm là đại học quốc gia Hà Nội và khu công nghệ cao Hà Nội. Phát triển mô hình đô thị nén có hệ thống hạ tầng đô thị hiện đại và đồng bộ. Dự kiến tổng diện tích đất tự nhiên khoảng 9.383,2ha thuộc địa bàn các xã Thạch Hòa, Tân xã, Yên Trung, Yên Bình, Tiến Xuân và một phần xã Hạ Bằng, Đồng Trúc;

Khu vực thuộc đô thị sinh thái Quốc Oai: Phát triển mô hình đô thị sinh thái và cụm công nghiệp sạch, công nghiệp hỗ trợ công nghệ cao. Dự kiến tổng diện tích đất tự nhiên khoảng 246ha thuộc một phần đất 2 xã Thạch Xá và Phú Bình;

Khu vực thuộc đô thị sinh thái Phúc Thọ: Phát triển mô hình đô thị sinh thái và dịch vụ hỗ trợ nông nghiệp với tổng diện tích đất tự nhiên khoảng 297,6ha.

Huyện Thạch Thất có phía Bắc và Đông Bắc giáp huyện Phúc Thọ, Phía Nam và Đông Nam giáp huyện Quốc Oai, Phía Nam và Tây Nam giáp tỉnh Hòa Bình, Phía Tây và Tây Bắc giáp thị xã Sơn Tây và huyện Ba Vì.