Thị xã Tân Uyên nằm ở phía đông tỉnh Bình Dương, có sông Đồng Nai chảy qua và có vị trí địa lý:

• Phía đông giáp huyện Vĩnh Cửu, thành phố Biên Hòa tỉnh Đồng Nai với ranh giới là sông Đồng Nai
• Phía tây giáp thành phố Thủ Dầu Một và thị xã Bến Cát
• Phía nam giáp các thành phố Dĩ An, Thuận An
• Phía đông nam giáp tỉnh Đồng Nai
• Phía bắc giáp huyện Bắc Tân Uyên.

Theo thống kê năm 2019, thị xã Tân Uyên có diện tích 192,50 km², dân số là 370.512 người, mật độ dân số đạt 1.925 người/km².[2]

Hiện nay, Tân Uyên là thị xã đông dân nhất cả nước và là đơn vị hành chính cấp huyện duy nhất trên cả nước có địa giới hành chính giáp với 4 thành phố trực thuộc tỉnh.