Huyện Tam Dương nằm ở trung tâm tỉnh Vĩnh Phúc, có vị trí địa lý:

• Phía đông giáp huyện Bình Xuyên và huyện Tam Đảo
• Phía tây giáp huyện Lập Thạch
• Phía nam giáp thành phố Vĩnh Yên và hai huyện Vĩnh Tường, Yên Lạc
• Phía bắc giáp huyện Lập Thạch và huyện Tam Đảo.

Tam Dương là một huyện trung du, địa hình đồi thấp là chủ yếu. Phần phía tây huyện có con sông Phó Đáy, một phụ lưu của sông Lô, chảy qua. Diện tích tự nhiên của Tam Dương là 107,13 km². Dân số huyện Tam Dương theo thống kê năm 2018 là 101.624 người.