Tbilisi znajduje się w południowo-wschodniej części Gruzji, zajmując obszar o współrzędnych 41° 43’ N; 44°47’E. Zabudowa ciągnie się po obu stronach rzeki Mtkwari, w dość wąskiej dolinie ograniczonej górami. Sprawia to, że miasto przybiera wydłużony kształt.
Poszczególne fragmenty miasta zbudowane zostały na różnej wysokości rzecznych terasach. Od północy naturalną granicą miasta jest Pasmo Saguramskie, które wznosi się przeszło 1000 metrów wyżej niż miejska zabudowa. Zachodnie i południowe krańce miasta stykają się ze stromymi stokami Gór Trialeckich. Jedynie w kierunku południowo-wschodnim teren łagodnie otwiera się na Płaskowyż Jorski.
Tbilisi składa się właściwie z dwóch równoległych części, które ciągną się wzdłuż obu brzegów rzeki Mtkwari (Kury). Położenie w dość łębokiej dolinie sprawia, że miasto jest długie na ok. 30 km i wąskie zarazem. W poprzek ma średnio jakieś 3 km. Z lotu ptaka Tbilisi przybiera postać łuku wygiętego w kierunku południowo-zachodnim. Ścisłe centrum znajduje się w przegubie tego łuku,
dokładnie na prawym brzegu rzeki, tuż u podnóża stromej góry Mtacminda (Święta Góra).
Najważniejszą arterią miasta jest bezdyskusyjnie Aleja Szoty Rustaweli (Rustawelis Gamziri, rustawelis gamziri). Biegnie ona równolegle do rzeki. Aleja zaczyna się na Placu Wolności (Tavisuplebis Moedani, Tavisuplebis moedani) a półtorej kilometra dalej kończy się na Placu Republiki (Respublikis Moedani, respublikis moedani). To właśnie wzdłuż tej ulicy stoją najokazalsze gmachy i rządowe instytucje. Aleja Rustaweli słynie też z najdroższych sklepów, ekskluzywnych hoteli i bujnego życia towarzyskiego. Powszechnie uchodzi za najbardziej kosmopolityczne miejsce w kraju.
Z kolei na lewym brzegu Mtkwari biegnie bardzo ruchliwa Aleja Dawida Budowniczego (Davit Agmaszenebelis Gamziri, davit
agmaszenebelis gamziri).