Tàm Xá nằm ở phía nam huyện Đông Anh, có địa giớiː

• phía bắc và tây bắc giáp xã Vĩnh Ngọc[1][3]; góc phía tây là cầu Nhật Tân trên đất Vĩnh Ngọc;
• phía tây nam và nam giáp các phường Phú Thượng[3][4], Nhật Tân[3][5][6] của quận Tây Hồ với biên giới tự nhiên là bãi Tàm Xá (phần còn lại của bãi Soi) trên sông Hồng[1];
• phía đông giáp xã Xuân Canh.[1][3][7][8]; phía đông nam tiếp giáp ngã ba sông Hồng - sông Đuống[1][7][8][9]

Phần lớn diện tích của xã Tàm Xá nằm ngoài đê, trong khi các khu dân cư của xã gồm 2 thôn là thôn Đoài và thôn Đông đều nằm trong đê và xen giữa hai xã Xuân Canh và Vĩnh Ngọc.[10]