A Dunántúl északi részén, a Kisalföld és a Dunántúli-középhegység találkozásánál helyezkedik el. A Gerecse és Vértes hegységet elválasztó Tatai-árok északnyugati kapujában, az Által-ér folyásánál található.

A legvalószínűbb, hogy a Miskolz nemzetség Tota nevű tagjától kapta a nevét a település, aki örökösök nélkül halt meg. Az itáliai umber nyelvben Tota, a szabin nyelvben touta, volszk nyelvben tota, illír, trák nyelvben theuta közösséget, emberek közösségét jelenti. Tata közepén az Öreg-tó terül el, partján áll a Tatai vár.

A vár mellett az Esterházy-kastély áll, utána a Hősök tere következik, ahol többek közt az egykori zsinagóga és az I. világháborús emlékmű található. E mellett van a Tanoda tér, ahol a gimnázium és a kollégium található. Ettől távolabb Tata óvárosának központjában a Kossuth tér terült el, a Római Katolikus plébániatemplommal és a városházával. Ebből nyílik a Kocsi utca a református templommal, felette magasodik a Kálvária-domb, a kilátótoronnyal és a geológiai parkkal.

A vártól északkeletre a tóvárosi városrész található az Országgyűlés térrel, ahol a Harangláb és a Kapucinus templom látható. Innen indul az Ady Endre utca a Kristály Hotellel, e mellett van az Erzsébet tér, ahonnan az Angolkert nyílik a Cseke-tóval a műromokkal és a kiskastéllyal. A városban levő vízfolyások mellett, fellelhetők a vízimalmok. A város központjától (észak-északnyugati irányban) másfél kilométerre található a Fényes-fürdő.