Traben-Trarbach befindet sich etwa 40 km nordöstlich von Trier und etwa 60 km südwestlich von Koblenz im Tal der Mittelmosel; nördlich der Stadt befindet sich der Moselschleifenberg Mont Royal. Der Flughafen Hahnn im Hunsrück liegt etwa 10 km entfernt in östlicher Richtung. Das Stadtgebiet erstreckt sich über eine Gesamtfläche von 3135 ha mit großem Waldanteil. Damit ist Traben-Trarbach flächenmäßig die größte Stadt an der Mittelmosel.

Der Stadtteil Traben liegt links der Mosel am Fuße der ehemaligen Festung Mont Royal und Trarbach rechts des Flusses auf der Hunsrück-Seite. Während Traben auf einer großen Breite am Moselufer liegt, erstreckt sich Trarbach länglich zwischen den recht steilen Bergen, vor allem ins Kautenbach-Tal. In diesem befindet sich im Stadtteil Bad Wildstein eine Quelle, deren Wasser mit einer Temperatur von 33° aus den Tiefen des Schiefergesteins zutage tritt und von einem Thermalbad genutzt wird.