Tatvan'ın, kuzey ve doğusunda Van Gölü, güneydoğusunda Gevaş, güneyinde Hizan ilçeleri ile batısında Bitlis ili, kuzeyinde de Ahlat ilçesi bulunmaktadır. Van Gölü'nün güneybatısındaki yüksek bir alanda yer alan Tatvan'ın büyük bölümü dağlıktır. Şehrin güney ve güneydoğu kesimlerini Güneydoğu Toroslarına bağlı dağlar, batı ve kuzeybatı kesimini de Nemrut Dağı çevirmektedir. Ayrıca en yüksek yeri Alacabük Dağı olarak bilinen Pelli Dağı da güneydoğu sınırı yakınındadır. Şehir topraklarından çıkan Güzeldere başta olmak üzere küçük akarsular Van Gölü'ne dökülmektedir. Güney ve güneydoğudaki dağlardan kaynaklanan suların oluşturduğu dereler şehir  sınırları dışında Dicle Nehri'nin başlıca kollarından olan Botan Çayı'na katılır. Türkiye'nin en büyük gölü olan Van Gölü'nün güneybatı kesimi ile Nemrut Gölü şehir sınırları içerisindedir. İl merkezine 25 km. uzaklıktaki şehrin yüzölçümü 1.235 km², denizden yüksekliği ise 1.720 metredir.