Selve byen Notodden ligger ved utløpet av Tinnelva i Heddalsvatnet, som igjen er en del av Skiensvassdraget. Bybebyggelsen ligger i platåer fra vannet og oppover. I sørøst ligger østløpet av Telemarkskanalen ned mot Norsjø. I andre retningen ligger det opprinnelige Heddal, og selve dalføret strekker seg ca. 10 kilometer mot vest. Mot sør ligger fjellkjeden Lifjell, som deles mellom Notodden og nabokommunene Bø, Seljord og Hjartdal. I nordvest ligger Tinnsjå og området som grenser mot Tinn kommune er dominert av skog.