十日町市は、新潟県南部の長野県との県境、千曲川が信濃川と名前を変えて間もないところに位置します。東は南魚沼市、北は小千谷市、西は上越市、南は湯沢町、津南町などと接しています。
東京からは約200キロメートル、新潟市からは約100キロメートルの地点にあります。市域の東西は31.4キロメートル、南北は41.1キロメートルの広がりをもち、面積は590.39平方キロメートルとなっています。
市の東側には魚沼丘陵、西側には東頸城丘陵の山々が連なっています。中央部には日本一の大河信濃川が南北に流れ、十日町盆地とともに雄大な河岸段丘が形成されています。また、西部中山間地域には渋海川が南北に流れ、流域には集落が点在し、棚田などにより美しい農山村の景観を呈しています。最南部は上信越高原国立公園の一角を占め、標高2,000メートル級の山岳地帯となっています。