Kommunen er langstrakt i nord-sydlig retning og følger i hovedsak Østerdalen fra elven Hovda i syd til sammenløpet mellom Atna-elven og Glomma (lokalt: ) ved tettstedet Atna i nordøst. Herfra fortsetter kommunen nordvestover Atndalen til Atnsjøen og nordgrensen mot Folldal ved Straumbu. Den øvre delen av Atndalen fra Mogrenda utgjorde tidligere Sollia kommune.