La città di Arezzo è situata nella parte settentrionale della Valdichiana; i due torrenti che l’attraversano, il Castro e il Vingone, si gettano nel Canale Maestro della Chiana, che ripercorre l’alveo dell’antico fiume Clanis. Direttamente a nord della città ha inizio il Casentino, che è la valle percorsa dal primo tratto dell’Arno; a nord-ovest si trova la Valdarno superiore, sempre percorsa dall’Arno nel tratto che scorre fra Arezzo e Firenze. Tramite l’agevole valico del Torrino, la valle del Cerfone e il passo della Scheggia si ha accesso a nord-est alla quarta vallata, la Valtiberina, percorsa dal primo tratto del Tevere fiume che scorre vicino ad arezzo.

Il territorio del comune è molto ampio e vario: si passa dalla pianura della Val di Chiana alle colline, a sud della città, e a zone montuose, soprattutto ad est. Come conseguenza della grande estensione del territorio comunale i comuni confinanti sono numerosi: ad ovest e a sud sono Civitella in Val di Chiana, Monte San Savino, Marciano della Chiana, Castiglion Fiorentino e Cortona; a nord-ovest ancora Civitella in Val di Chiana, Laterina e Castiglion Fibocchi; a nord-est Capolona e Subbiano; ad est Anghiari, Monterchi e i due comuni umbri di Città di Castello e Monte Santa Maria Tiberina (aretino fino al 1927).