玉溪市位于云南省中部，东北和北面接昆明市，东南和南面与红河州相邻，西南和西面连思茅地区，西北靠楚雄彝族自治州。市内地势西北高，东南低，地形复杂。山地、峡谷、高原、盆地交错分布。西部哀牢山是一巨大屏障，山峦连绵，谷壑纵横。东部和北部有一些较大的断层陷落盆地。元江河谷沿哀牢山脉东侧的元江断裂带切割较深，从江面到山顶高差达2000米以上，形成高山峡谷地带。哀牢山脉主峰大雪锅山海拔3137米，为市内最高点。南昏江与元江汇合处海拔328米，是市内最低点。
市政府驻地红塔区州城海拔1630米。市内河流分属珠江和红河两大水系。新平、易门、元江3县和峨山县的一部分属红河水系，集水面积共9981平方公里。红塔区和通海、华宁、澄江、江川4县及峨山县的一部分属珠江水系，集水面积5044平方公里。
市内有高原断陷湖泊抚仙湖、星云湖、杞麓湖和阳宗海。抚仙湖位于澄江、江川、华宁三县之间。湖形似葫芦，北宽而深，南窄而浅，中间细长如颈，南北长31.5公里，东西最宽11.5公里，最窄处3公里，湖岸线长90.6公里，湖面水位海拔1721米，面积212平方公里，容量185亿立方米，最大水深155米，平均水深87米，是云南最深的湖泊，也是我国第二深水湖，总蓄水量是滇池的12倍，洱海的6倍。