Colinda al noroeste con el estado de Hidalgo; al norte, sur y este con el estado de Puebla y al oeste con el estado de México. Es el Estado de la Federación con menor superficie ya que su extensión territorial es de 4,060.93 kilómetros cuadrados, lo que representa el 0.2 por ciento del territorio nacional.

Su altitud media es de 2,230 metros sobre el nivel del mar, por lo que su clima es templado-subhúmedo, semifrío- subhúmedo y frío. Las precipitaciones medias anuales son mayores en el centro y sur, donde van de 600 a 1,200 milímetros, en tanto que en el noroeste y oriente las lluvias son menores de 500 milímetros al año.

La extensión territorial de la Entidad es de 406,092 hectáreas, de las cuales el 59.86 por ciento son susceptibles de uso agrícola, 14.5 por ciento de uso forestal y 5.8 por ciento de uso ganadero.

La vegetación natural se encuentra muy mermada debido a la alta densidad de población que desde tiempos prehispánicos tuvo Tlaxcala. Su vegetación es la propia de los climas fríos o templados, con especies resistentes a las bajas temperaturas, tales como el pino, el oyamel, el encino y el enebro.

En la región boscosa de la Malinche predomina el pino, aunque también se encuentra el encino. En las planicies, cuyos suelos son poco húmedos, se da el maguey y el nopal. Actualmente, se llevan a cabo diversas prácticas de recuperación de los terrenos y la vegetación; entre las que destacan la reforestación y el control de la erosión.

No obstante el crecimiento y expansión de la mancha urbana, en el estado todavía es común encontrara algún tipo de fauna, como el conejo, la ardilla y tlacuache, así como algunas variedades de pájaros y reptiles típicos tales como el xintete y lagartija.