Nachází se v místech, kde vodní tok Nachal Ajalon opouští hornatou krajinu Judských hor a vstupuje do široké sníženiny, která je již výběžkem pobřežní nížiny. Leží v nadmořské výšce okolo 150–200 metrů. Na severu ho vymezují pahorky okolo města Modi'in-Makabim-Re'ut, na jihu vyvýšený hřbet Latrunu, na východě okraj Judských hor.[1][2][3]
Údolí leží na pomezí Izraele v mezinárodně uznávaných hranicích a Západního břehu Jordánu. Jeho část byla do roku 1967 součástí takzvaného latrunského výběžku, který navíc obklopovalo silné nárazníkové pásmo. V roce 1967 Izrael dobyl celé Ajalonské údolí a fakticky, byť ne oficiálně, je anektoval. Vysídlil tři arabské vesnice v latrunském výběžku a napříč údolím trasoval dálnici číslo 1 spojující Tel Aviv a Jeruzalém.
