Sovrastano la conca aretina, delimitandone il perimetro, una serie di vette collinari e montuose appartenenti ai primi contrafforti della dorsale dell’Appennino tosco-umbro: ad ovest i modesti rilievi che preludono al Chianti, a nord/ovest le pendici del massiccio del Pratomagno, a nord/est l’Alpe di Catenaia, ad est l’Alpe di Poti, a sud il monte Lignano, che attraverso le ultime propaggini della collina di Agazzi delimita la pianura a sud/ovest.
Il corso d’acqua di maggiori dimensioni, il fiume Arno, disegna una grande ansa 7 km. a nord/ovest della città, prima di ricevere le acque del canale maestro della Chiana e di formare il bacino artificiale della Penna. La città è percorsa da due torrenti: il Castro, che attraversa il centro scorrendo in alveo sotterraneo, ed il Vingone, che lambisce i quartieri della periferia sud/ovest. Il bacino lacustre più vicino è quello del lago Trasimeno, situato 33 km. a sud della città, poco oltre il confine con la regione Umbria
