Thimphu nằm gọn trong thung lũng dọc sông Raidāk (mà còn gọi là sông Wang hay sông Thimphu). Lọt thỏm giữa những rặng núi có độ cao biến thiên từ 2.000 đến 3.800 mét (6.562 đến 12.467 foot) (trong đó vùng ôn đới ấm là từ 2.000 đến 3.000 mét (6.562 đến 9.843 foot) và vùng ôn đới lạnh là 3.000–3.800 mét (9.843–12.467 foot)), bản thân thành phố có độ cao từ 2.248 mét (7.375 foot) đến 2.648 mét (8.688 foot). Chính sự thay đổi về độ cao quyết định nơi sống được và loại hình thực vật trong thung lũng. Thung lũng này được phủ rừng một phần và trãi rộng ra về phía bắc và tây. Ở cực nam thành phố có cầu Lungten Zampa bắc ngang sông Wang.[1][7][8]

Thành phố có khí hậu cận nhiệt đới vùng cao ảnh hưởng bởi gió mùa, thường khá ôn hòa và ấm áp. Mưa do gió mùa tây nam diễn ra từ giữa tháng sáu đến tháng chín. Hay có sấm chớp trước khi trời đổ mưa.[1][3] Mưa liên tục trong nhiều ngày gây lở đất và tắc nghẽn giao thông. Sông suối dâng cao cuốn theo đất đá và các thứ khác từ rừng. Gió lạnh, nhiệt độ trở thấp về đêm, khí trời dịu vào ban ngày cộng với mây phủ và tuyết rơi đại diện cho thời tiết mùa đông nơi đây. Sương thường làm cản trở tầm nhìn.[1][3] Khi xuân tới gần, thường có gió tạt, trời thì trong còn không khí thì khá khô.[1][3]

Thimphu có một mùa mưa kéo dài từ tháng năm đến tháng chín và mùa khô là khoảng thời gian còn lại. Tổng lượng tuyết rơi hàng năm dao động từ 500 milimét (20 in) đến 1.000 milimét (39 in). Tuyết rơi chủ yếu vào mùa mưa. Nhiệt độ trung bình mùa đông là từ 5–15 °C (41–59 °F) còn mùa hè là 15–30 °C (59–86 °F).[1][3][9] Nhiệt độ cực tiểu trung bình tháng một là −2,6 °C (27,3 °F) còn nhiệt độ cực đại trung bình tháng năm là 25 °C (77 °F).