Khu tự trị Tây Tạng nằm trên cao nguyên Tây Tạng, khu vực cao nguyên cao nhất trên trái đất. Tại miền bắc Tây Tạng độ cao trung bình lên tới 4572 m (15000 ft). Đỉnh Everest nằm trên biên giới giữa Tây Tạng và Nepal.

Các khu vực Tân Cương, Thanh Hải và Tứ Xuyên nằm ở phía bắc và đông của khu tự trị. Trung Quốc có tranh chấp biên giới với Ấn Độ ở phía nam bao gồm Đường McMahon tại Nam Tây Tạng, Aksai Chin ở phía tây. Các nước khác ở phía nam là Myanma, Bhutan và Nepal. Khu tự trị Tây Tạng cũng có ranh giới đông nam với tỉnh Vân Nam trên một đoạn ngắn.

Về mặt tự nhiên, Khu tự trị Tây Tạng có thể được chia thành hai phần, "khu vực hồ" ở phía tây và tây bắc và "khu vực sông", trải rộng trên ba mặt đông, nam và tây. Cả hai khu vực đều nhận được lượng mưa khiêm tốn do bị dãy Himalaya chắn ở phía nam, tuy nhiên tên các khu vực tỏ ra tương phản với điều này và cũng phản ánh các khác biệt văn hóa vì khu vực hồ là nơi sinh sống của người du cư còn khu vực sông là nơi những người làm nghề nông định cư.[7] Ranh giới phía nam là dãy núi Himalaya, phần phía bắc của nó là một hệ thống núi rộng lớn và không có các hẻm núi quá sâu để có thể tạo ra các ngọn núi riêng biệt. Các hệ thống núi tại Khu tự trị Tây Tạng là khởi nguồn của ba dòng sông lớn đổ ra Ấn Độ Dương là sông Ấn, sông Brahmaputra và sông Salween cùng các phụ lưu của chúng, ngoài ra còn có các dòng suối đổ vào các hồ muối kín ở phía bắc.

Khu vực hồ trải dài từ Hồ Pasong Tso tại Ladakh, Hồ Rakshatal, Hồ Yamdrok và Hồ Manasarovar gần khởi nguồn sông Ấn, tới nguồn của các sông Mê Kông, Salween và Trường Giang. Các hồ khác bao gồm Dagze Co, Nam Co và Pagsum Co. Khu vực hồ là một sa mạc khô cằn và lộng gió và cũng không có dòng sông nào tại đây, vùng này được gọi là Chang Tang (Byang sang) hay ‘Cao nguyên phương bắc’ bởi những người dân tại Tây Tạng. Khu vực này kéo dài khoảng 1100 km (700 mi) và có diện tích tương đương với nước Pháp. Các dãy núi chia tách các thung lũng có độ cao tương đối thấp, vùng đồng quê được tô điểm với nhiều hồ lớn nhỏ, thường là hồ muối hay kiềm. Có những vùng đất đóng băng không cố định tại Chang Tang, đất trở nên lầy lội và được bao phủ bởi cỏ, giống như các lãnh nguyên Siberi.

Khu vực sông bao gồm các thung lũng núi phì nhiêu và gồm cả sông Yarlung Tsangpo (thượng nguồn sông Brahmaputra) và các phụ lưu chính của sông này, sông Nyang, sông Salween, Trường Giang, Mê Kông và Hoàng Hà. Hẻm núi Yarlung Tsangpo tạo thành một chiếc móng ngựa trên sông gần Nam cha Barwa là hẻm núi sâu nhất và có thể là dài nhất trên thế giới.[8] Giữa các dãy núi có nhiều các thung lũng hẹp. Các thung lũng Lhasa, Shigate, Gyantse và Brahmaputra không bị đóng băng, và có chất đất tốt cũng như thuận lợ về tưới tiêu nên đã trở thành những vùng trồng trọt.

Thung lũng Nam Tây Tạng được tọa thành bởi sông Yarlung Zangbo ở đoạn sông này chảy từ tây sang đông, Thung lũng dài xấp xỉ 1200 km và rộng 300 km. Thung lũng có độ cao thấp nhất chỉ là 2800 mét so với mực nước biển. Các ngon núi ở hai bên thung lũng thường cao trên 5000 mét.[9][10] Khu vực này cũng có một số hồ như Paiku và Puma Yumco.