Nordstemmen liegt westlich von Hildesheim am Südrand der Norddeutschen Tiefebene an den nordwestlichsten Ausläufern des Hildesheimer Walds etwa 1 km östlich der Einmündung der Haller in die Leine, die bei der Marienbergbrücke den Marienberg passiert, an dessen Südhang das Schloss Marienburg steht.

Die Gemeinde Nordstemmen grenzt im Uhrzeigersinn, beginnend im Nordosten an Sarstedt, Giesen, Hildesheim, Gronau und Elze (alle im Landkreis Hildesheim), sowie an Springe und Pattensen (beide in der Region Hannover).

Das Schloss Marienburg, das nordwestlich von Nordstemmen liegt und zur Stadt Pattensen gehört, wurde 1857 bis 1867 von den Architekten Conrad Wilhelm Hase, Frühling und Edwin Oppler erbaut. Es war ein Geschenk des König Georg V. von Hannover an seine Gemahlin Königin Marie. Ein Teil des Schlosses ist restauriert, Verschiedenartige Führungen, die Turmbesteigung, Gastronomie und verschiedene Veranstaltungen werden im Sommerhalbjahr angeboten

Im Ortsteil Rössing befindet sich ein Rittergut mit dem Wohnsitz der Familie von Rössing. Das Wasserschloss wurde von Ludolph von Rössing auf der zerstörten Burg als doppelgeschossiges Fachwerkgebäude der Renaissance errichtet und 1589 vollendet.

Das Naturschutzgebiet Leineaue unter dem Rammelsberg liegt zwischen Gronau (Leine) und Elze und stellt einen Ausschnitt des Mittellaufs der Leine mit ihrer Aue und Teilen der Hänge des Uthberges und des Großen Rammelsberges im Osten unter Schutz. Die periodisch überflutete Niederung wird geprägt vom mäandrierenden Flusslauf mit Altarmen und Flutmulden. Die Leine wird vielfach von Auwaldresten begleitet. Daneben sind Feuchtwiesen und staudenreiche Brachflächen zu finden. Die in das Naturschutzgebiet einbezogenen Hänge sind durch Wälder und Gebüsche sowie Reste von Magerrasen und Streuobstwiesen geprägt.