충청북도 동북부에 자리잡고 있으며 동쪽은 단양군, 서쪽은 충주시, 남쪽은 경상북도 문경시, 북쪽은 강원도 영월군과 원주시에 접하고 있다. 2006년 9월말 기준 전체면적 882.48㎢, 총인구 137,089명, 세대수 51,408세대이며, 행정구역은 1읍 7면 9동으로 시청 소재지는 제천시 천남동12-2(시청길15)번지이다.
동쪽 단양군과의 경계에 까치성산, 금수산 등이 솟아있고, 남쪽 경상북도와의 경계에 소백산맥의 문수봉, 월악산, 하설산 등이 있다. 북쪽 강원도와의 경계에는 동북에서 남서방향으로 차령산맥이 뻗어나가면서 백운산, 송학산 등이 병풍처럼 둘러싸고 있다. 하천은 남한강이 동쪽의 단양에서 유입되어 시의 중앙부를 동서로 관류하면서 여러지류를 합쳐 충주시로 빠져나가며, 충주 다목적댐이 완공되면서 남한강 줄기를 따라 충주호가 형성되었다.