Thành phố Tuy Hòa có diện tích 107 km² (10.682 ha diện tích tự nhiên), có vị trí giáp với huyện Tuy An ở phía bắc, huyện Phú Hòa ở phía tây, huyện Đông Hòa ở phía nam và Biển Đông ở phía Đông với toàn chiều dài bờ biển trên 30 km, cách Thành phố Hồ Chí Minh khoảng 560 km về phía bắc.

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.