Thành phố Tuy Hòa cách Thành phố Hồ Chí Minh khoảng 560 km về phía bắc và cách thủ đô Hà Nội 1.173 km về phía nam, có diện tích 107 km² (10.682 ha) và có vị trí địa lý:

• Phía đông giáp Biển Đông ở phía Đông với chiều dài bờ biển trên 30 km
• Phía tây giáp huyện Phú Hòa
• Phía nam giáp thị xã Đông Hòa
• Phía bắc giáp huyện Tuy An.

Địa hình thành phố chủ yếu là đồng bằng phù sa do hạ lưu Sông Ba (tên khác là sông Đà Rằng) bồi đắp. Có 2 ngọn núi Chóp Chài và núi Nhạn nằm ngay trung tâm thành phố. Và cầu Đà Rằng - cây cầu dài nhất miền Trung nằm trên Quốc lộ 1 nối trung tâm thành phố với các tỉnh phía Nam.

Bãi biển Tuy Hòa là một bãi ngang trải dài, thơ mộng với bãi cát trắng, là điểm du lịch nổi tiếng của thành phố.