Il territorio di Tavarnelle in Val di Pesa è situato a cavallo tra la Val di Pesa e la Val d'Elsa. Ha un'estensione di 56,98 chilometri quadrati e presenta un dislivello altimetrico che va da un minimo di 150 metri s.l.m. nella zona di Sambuca ad un massimo di 530m nella zona del Poggio Testa Lepre.

Il capoluogo è posto a 380 metri s.l.m.

Sono frazioni del Comune di Tavarnelle le località di San Donato in Poggio, Badia a Passignano, Sambuca Val di Pesa, Morrocco, Noce, Romita.

Il territorio confina con i comuni di San Casciano in Val di Pesa, Greve in Chianti, Barberino Val d'Elsa, Castellina in Chianti, Certaldo e Montespertoli.