Borgo Valsugana è situato nella valle dominata dal fiume Brenta, che trae origine dai laghi di Levico e Caldonazzo, quindi procede in direzione est per defluire infine nel mare Adriatico. Il torrente Fersina è anche molto importante, poiché attraversa la città di Pergine e poi si unisce all'Adige con la città di Trento. Il bacino del Brenta è separato dalla Fersina dal passo basso della Sella di Pergine (482 m).
Dal punto di vista orografico, la valle è racchiusa da due catene montuose: il Lagorai a nord, che separa la Valsugana dalla Val di Fiemme, mentre a sud è il sistema Cima Dodici-Ortigara (2105 m), che lo divide dalla provincia di Vicenza.
Tra le valli laterali meritano ricordare la Valle dei Mocheni, la Val di Sella e l'altopiano del Tesino.
La bassa valle, in particolare, è di natura carsica e quindi ricca di grotte - come la "Grotta dell'Ernesto" a Grigno, la "Grotta del Calieron", la "Grotta della Bigonda" e la "Grotta dell'Orso" / "Grotta di Castello", entrambe a Castello Tesino. A Levico Terme scorre un'acqua acida ricca di ferro - quindi la città è piuttosto rinomata come località termale.
