Tatarstan ligger på den østeuropeiske slette, om lag 800 kilometer øst for Moskva. Elvene Volga og Kama møtes her. Andre store elver er Belaja og Vjatka, som begge renner ut i Kama. Republikken strekker seg 290 kilometer fra nord til sør, og 460 kilometer fra øst til vest. Den er om lag like stor som Hedmark, Oppland og Buskerud tilsammen. Landskapet er hovedsakelig flatt, med noen lave høydedrag. 90 % av arealet ligger under 200 meter over havet. 16 % er skogkledd.