本市位于多摩川中游右岸，属北端。市域北端为多摩川，南端为多摩丘陵稜线，整体呈现与多摩川支流及其支流在丘陵地带中划出的谷地方向相同的东北东－西南西方向，市内地势起伏明显。多摩市北邻东京都府中市、东京都日野市，西接东京都八王子市，南连东京都町田市，东通神奈川县川崎市麻生区、东京都稻城市。多摩新市镇涵盖本市南部与稻城市、町田市、八王子市。此外，本市是南多摩地域中唯一没有高速道路或JR通过的自治体。2010年，东洋经济新报社针对全国787个自治体所作的「宜居排名」中，多摩市在各项指数中排名57位或以上。