Thị xã Duy Tiên nằm ở phía bắc tỉnh Hà Nam, có vị trí địa lý:
Thị xã Duy Tiên có diện tích tự nhiên 120,92 km², dân số năm 2019 là 137.150 người, mật độ dân số đạt 1.134 người/km².
Thị xã Duy Tiên là cửa ngõ phía bắc tỉnh Hà Nam, là vùng trọng điểm phát triển công nghiệp dịch vụ của tỉnh Hà Nam. Thị xã Duy Tiên cách thành phố Phủ Lý 12 km, cách Hà Nội 48 km.
Địa hình của thị xã chủ yếu là đồng bằng. Thị xã Duy Tiên nằm cạnh sông Hồng và trên địa bàn thị xã còn có sông Châu Giang chảy qua.
Thị xã có địa hình đặc trưng của vùng đồng bằng thuộc khu vực châu thổ Sông Hồng. Nhìn chung địa hình của thị xã khá thuận lợi cho phát triển sản xuất nông nghiệp, đặc biệt là trồng lúa và cây vụ đông. Địa hình của thị xã được chia thành 2 tiểu địa hình.
Vùng ven đê sông Hồng và sông Châu Giang bao gồm các xã Mộc Bắc, Mộc Nam, Châu Giang, Chuyên Ngoại, Trác Văn, Yên Nam, Đọi Sơn...có địa hình cao hơn, đặc biệt là khu vực núi Đọi, núi Điệp thuộc các xã Đọi Sơn và Yên Nam.
Vùng có địa hình thấp bao gồm các phường như Tiên Nội, Yên Bắc và xã Tiên Ngoại chiếm phần lớn diện tích tự nhiên của thị xã cao độ phổ biến từ 1,8 - 2,5 m, địa hình bằng phẳng, xen kẽ là các gò nhỏ, ao, hồ, đầm.
Duy Tiên nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa, nóng ẩm, mưa nhiều, thuộc tiểu khí hậu vùng đồng bằng Bắc Bộ, chịu ảnh hưởng sâu sắc của gió mùa đông bắc và gió mùa đông nam. Với các đặc điểm nhiệt đới gió mùa, nắng và bức xạ mặt trời lớn, thuận lợi cho phát triển một nền nông nghiệp đa dạng với nhiều loại cây trồng, vật nuôi và tạo điều kiện tốt cho thâm canh tăng vụ. Tuy nhiên, sự biến động mạnh mẽ với nhiều hiện tượng thời tiết như bão, dông, lượng mưa tập trung theo mùa... kết hợp với địa hình thấp gây ra ngập úng cục bộ, một số vùng đòi hỏi phải có biện pháp phòng tránh kịp thời.
