Thị xã Hương Thủy nằm ở khu vực trung tâm tỉnh Thừa Thiên - Huế, phía Đông Nam thành phố Huế, có vị trí địa lý:

• Phía đông giáp huyện Phú Lộc
• Phía tây giáp thị xã Hương Trà và huyện A Lưới
• Phía nam giáp huyện Nam Đông
• Phía bắc giáp thành phố Huế và huyện Phú Vang.

Toàn bộ địa bàn thị xã thuộc lưu vực sông Tả Trạch, thuộc hệ thống sông Hương. Sông Tả Trạch là nhánh sông chính bắt nguồn từ vùng núi trung bình huyện Nam Đông với độ cao tuyệt đối 900m. Sông chính chảy theo hướng chung Nam Đông Nam – Bắc Tây Bắc cho tới ngã ba Tuần thì hội nhập với sông Hữu Trạch và trở thành sông Hương. Tổng chiều dài của sông Hữu Trạch chảy qua thị xã Hương Thủy khoảng 32 km, chảy qua địa bàn các xã: Dương Hòa và Thủy Bằng.

Đây là địa phương có dự án Đường cao tốc Quảng Trị – Đà Nẵng đang được xây dựng đi qua.