La città è situata nel medio Trentino, alla sinistra orografica dell'Adige, a 490 m s.l.m. e a 12 km a est di Trento. Il comune di Pergine Valsugana, che si estende su una superficie di 5439 ettari circa, occupa la vasta conca ai piedi del colle Tegazzo e il fondovalle del torrente Fersina. A occidente è dominata dal Monte Marzola (1738 m s.l.m.) e dal Monte Celva (1000 m s.l.m.) con il Cimirlo verso Trento, a sud-ovest dalla Vigolana (Becco di Filadonna, 2150 m s.l.m.), a sud-est dalla Panarotta (2002 m s.l.m.), a est dal Monte Orno o Montagna Grande (1538 m s.l.m.) (una volta chiamata così per la sua altezza in termini prospettici), a nord-est dal Gronlait (2383 m s.l.m.) e dal Fravort (2347 m s.l.m.) Infine a nord-ovest si possono scorgere in lontanza le cime della catena del Brenta (cima Tosa 3173 m s.l.m.) e la Paganella (2125 m s.l.m.), sempre in lontananza, ma a sud, si può scorgere il Pizzo di Levico, sulla sommità del quale svetta Forte Vezzena.
Il torrente Fersina nasce dal lago di Erdemolo, posto sopra Palù del Fersina a 2036 m nella catena del Lagorai e si snoda fino a Trento, per poi sfociare nel fiume Adige.
Il lago di Caldonazzo (profondità massima 49 m) si trova a sud della cittadina; appartiene al perginese dalla frazione di San Cristoforo al Lago (suo inizio) fino all'altezza della frazione di Valcanover. Il resto del lago appartiene ad altri comuni; dal lago di Caldonazzo nasce il fiume Brenta.
Altri laghi situati nel perginese sono il lago di Costa, il lago Pudro, il lago di Canzolino e il lago di Madrano. Il lago Pudro, che fa parte della rete natura 2000, ha una superficie di circa 13 ettari e si caratterizza dalla presenza di animali strettamente legati all'acqua, scomparsi in fondovalle a causa delle bonifiche. Nel 1948, venne rinvenuta ai margini della palude del lago di Pudro una spada a manico pieno con pomo a coppa finemente decorata e fatta risalire al X secolo a.C.. Fino al 1989, presso tale lago vi era un'intensa attività di sfruttamento per l'estrazione della torbiera.
Esistono poi piccoli corsi d'acqua, affluenti del Fersina.
