天河区位于广州市老城区东部，东到玉树尖峰岭、吉山狮山、前进深涌一带，与黄埔区相连；南到珠江，与海珠区隔江相望；西从广州大道、杨箕、先烈东路、永福路，沿广深铁路方向达登峰，与越秀区和东山区相接；北到筲箕窝，与白云区相接，区径东西极限长18.75公里，南北极限长15.75公里。
天河区总面积147.77平方公里，其中建成区面积约68公里，是建设中的广州市城市中心区。
天河区具有良好的地理区位。从东西方向看，天河区是广州市向东发展城市带的起点。从南北方向看，天河区是广州市新城市中轴线经过的中心地区。广州新城市中轴线包括城市功能轴线、城市景观轴线和城市发展轴线，上述轴线均经过天河区，这种在空间上****的城市轴线可以强化天河的城市形象，有助于提高天河的新城市中心地位和经济竞争能力。