Cesvaine atrodas Vidzemes augstienes ziemeļaustrumos, 180 km no Rīgas. Augstākie pauguri ir Ūsiņa kalns (259 m virs jūras līmeņa), kas atrodas pauguriem bagātajā Kārzdabas apvidū, Stradu kalns, Austras kalns u.c. No ziemeļaustrumiem uz dienvidaustrumiem līkumo upe Kuja (77 km). Pilsētas centram cauri vijas Sūlas upe. Teritorijas ziemeļu malā pie Gulbenes novada robežas tek Tirzas upe. Pie robežas ar Tirzas pagastu atrodas Mazais Virānes ezers. Pārējie lielākie ezeri: Kārzdabas, Kaulačezers, Lūšu, Lielezers, Mucenieku. Purvi: Čonku purvs, Velna purvs, Sakņupītes purvs. Apmēram 43 % teritorijas (7934 ha) aizņem meži. Aizsargājami dabas objekti: Cesvaines un Grašu parki, Vaļģu velnakmens, Spruktu ozols, Ozolkalna ozols u.c.