Tbilisi is in die sentrale gedeelte van die Kaukasus-landengte in Oos-Georgië geleë. Dit strek oor 'n afstand van 21 kilometer langs die Koera-rivier (Georgies Mtkwari). Die stad word in die weste deur die bergpiek Mtazminda, in die ooste deur die Machata-heuwelketting, in die suide deur die Mtabori- en Solalaki-gebergtes begrens. Vanweë sy bergagtige reliëf is die stadsgebied teen hoogtes van tussen 380 en 727 meter bo seevlak geleë. Talle woonbuurte is op terrasse teen die skuinstes van berghellings gebou.