Με το σχέδιο Καλλικράτης ο Δήμος Πεντέλης συγκροτήθηκε από τους πρώην Δήμους Μελισσίων Νέας Πεντέλης και Πεντέλης.
Το εμβαδόν της περιοχής του Δήμου ανέρχεται στα 31.500 στρ. και περιλαμβάνει μεγάλο μέρος της νότιας και της βορειοανατολικής πλευράς του Πεντελικού, από τον Κοκκιναρά στα δυτικά μέχρι Άγιο Πέτρο στα βορειοανατολικά.
Ο Δήμος συνορεύει δυτικά με τους Δήμους Αμαρουσίου και Κηφισιάς, νότια με τους Δήμους Βριλησσίων και πρώην Δήμους Γέρακα – Παλλήνης – Πικερμίου, ανατολικά με τους πρώην Δήμους Ραφήνας – Νέας Μάκρης και βόρεια με τους πρώην Δήμους Μαραθώνα και Διονύσου.
Περιοχές του Δήμου όπως ο Αγ. Δημήτριος στα νότια της ΤΚ Πεντέλης, στα όρια Μελισσίων – Κηφισιάς (αστική περιοχή), Ν. Πεντέλης – Κηφισιάς (αγροτική περιοχή) και Ν. Πεντέλης – Πεντέλης, τελούν υπό αμφισβητήσιμο διοικητικό καθεστώς.
Χωρίς αμφιβολία, είναι απογοητευτική η διαχρονική αδυναμία (ή και αδιαφορία) των Δημοτικών Αρχών να καθορίσουν τα διοικητικά όρια των περιοχών ευθύνης των. Οι δυσμενείς επιπτώσεις των εν λόγω εκκρεμοτήτων αναμένεται να ενταθούν με την λειτουργία του Εθνικού Κτηματολογίου, κατά την οποία, οι πολίτες θα διαπιστώνουν σταδιακά ότι τα ακίνητα στα οποία διαμένουν και καταβάλλουν δημοτικούς φόρους ανήκουν σε άλλο Δήμο από αυτόν στον οποίο ασκούν το εκλογικό τους δικαίωμα.