Huyện Tam Đảo nằm ở phía bắc tỉnh Vĩnh Phúc, gần ngã ba ranh giới của tỉnh Vĩnh Phúc với hai tỉnh Tuyên Quang và Thái Nguyên. Địa giới hành chính huyện Tam Đảo:

• Phía đông nam và nam giáp huyện Bình Xuyên
• Phía nam và tây nam giáp huyện Tam Dương
• Phía tây giáp huyện Lập Thạch
• Phía tây bắc giáp huyện Sơn Dương của tỉnh Tuyên Quang
• Phía bắc và đông bắc giáp huyện Đại Từ của tỉnh Thái Nguyên.

Bản đồ huyện chạy dài theo hướng tây bắc - đông nam, dọc theo dãy núi Tam Đảo. Huyện Tam Đảo là một huyện miền núi, nằm trên phần chính, phía tây bắc của dãy núi Tam Đảo, nơi bắt nguồn của sông Cà Lồ (sông này nối với sông Hồng và sông Cầu). Trên địa bàn huyện có ngọn núi Tam Đảo cao 1.310 m, nằm ở xã Hồ Sơn. Diện tích tự nhiên của huyện là 23.641,60 ha (236,42 km²), trong đó có hơn 120 km² là thuộc vườn quốc gia Tam Đảo.