茨城県の南部に位置し、観光地として有名な筑波山は、市北部に位置する。研究学園地域以外は、農地・山林や集落、一部に市街地。筑波山周辺を除き、筑波・稲敷台地と呼ばれる標高20～30mの平坦な地形であり、関東ローム層に覆われている。

• 山：筑波山、宝篋山（小田山）、城山
• 河川：小貝川、桜川、東谷田川、西谷田川、小野川、稲荷川など
• 公園：市民一人当たりの公園面積は約10平方メートルであり、全国平均の約6平方メートルを上回っている。
• 面積：28,400ha（うち研究学園地区が2,700ha）