Secara geografis, kota Padangsidempuan secara keseluruhan dikelilingi oleh Kabupaten Tapanuli Selatan yang dulunya merupakan kabupaten induknya. Kota ini merupakan persimpangan jalur darat untuk menuju kota Medan, Sibolga, dan Padang (Sumatera Barat) di jalur lintas barat Sumatera.
Topografi wilayahnya yang berupa lembah yang dikelilingi oleh Bukit Barisan, sehingga kalau dilihat dari jauh, wilayah kota Padang Sidempuan tak ubahnya seperti cekungan yang menyerupai danau.
Puncak tertinggi dari bukit dan gunung yang mengelilingi kota ini adalah Gunung Lubuk Raya dan Bukit (Tor) Sanggarudang yang terletak berdampingan di sebelah utara kota. Salah satu puncak bukit yang terkenal di kota padang Sidimpuan yaitu Bukit (Tor) Simarsayang.
Juga terdapat banyak sungai yang melintasi kota ini, antara lain sungai Batang Ayumi, Aek Sangkumpal Bonang (yang sekarang menjadi nama pusat perbelanjaan di tengah kota ini), Aek Rukkare yang bergabung dengan Aek Sibontar, dan Aek Batangbahal, serta Aek Batang Angkola yang mengalir di batas selatan/barat daya kota ini dan dimuarai oleh Aek Sibontar di dekat Stadion Naposo.