Tbilissi se trouve au centre de la Géorgie orientale, dans les contreforts de la chaîne de montagne Trialeti entre le Grand Caucase et le Petit Caucase, à l'endroit où les deux chaînes ne sont séparées que par l'étroite vallée du fleuve Koura. Le relief accidenté freine l'expansion de la ville. La ville, située dans une zone sismique, est frappée parfois par des tremblements de terre.