Irriguée par la Rémarde, affluent de l'Orge, Longvilliers appartient au parc naturel régional de la Haute Vallée de Chevreuse, dans le département des Yvelines, en région Île-de-France. Ses voisines sont Saint-Arnoult-en-Yvelines, Rochefort-en-Yvelines et Bonnelles, ainsi que trois communes de l'Essonne : Dourdan, Angervilliers et Saint-Cyr-sous-Dourdan. Outre le bourg, la commune compte les hameaux de la Bâte, Reculet, le Petit Plessis, le Plessis Mornay et Bouc Étourdi, ancien terrier dont le nom viendrait de « Bouquet Tordu ». L'autoroute A10 traverse son territoire, qui accueille la sortie 10 Dourdan, Saint-Arnoult. L'église Saint-Pierre est inscrite à l'inventaire supplémentaire des monuments historiques depuis 1950. Quatre lavoirs de rivière ont été construits dans la seconde moitié du XIXe siècle : ceux du Bourg, de Reculet et de Saint-Fargeau, alimentés par la Rémarde, et celui de La Bâte, alimenté par la Gloriette et long de quinze mètres. Ils associent grès, pierre meulière, bois, tuile et métal. Pour signaler une panne d'éclairage public, un dépôt sauvage, un défaut d'entretien des espaces verts ou un problème de voirie, les habitants s'adressent à la mairie de Longvilliers via Signaleo.

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