Tokyo se situe sur la baie de Tokyo, qui constitue l’ouverture maritime sur l’océan Pacifique de la plus grande plaine du Japon, celle du Kantō, sur la côte est de l’île d’Honshū, à l’embouchure de plusieurs fleuves côtiers : la Tama à l’ouest, la Sumida et l’Arakawa en son cœur, la Naka et l’Edo à l’est.
La préfecture de Tokyo est entourée par la préfecture de Chiba à l’est, celle de Kanagawa au sud-ouest, celle de Yamanashi à l’ouest et celle de Saitama au nord.
Au sud-est se trouve la baie de Tokyo. Le Tama délimite la frontière avec la préfecture de Kanagawa et a une longueur de 138 kilomètres ; sa source se situe dans les collines de Tama, à l’ouest de la préfecture de Tokyo. Le fleuve Sumida délimite les frontières avec les préfectures de Saitama et de Chiba ; il constitue la partie aval du fleuve Ara (ou Arakawa), qui a une longueur de 173 kilomètres.
La préfecture de Tokyo se divise elle-même généralement en trois parties :
- l’extrémité sud de la plaine de Kantō à l’est, recouverte essentiellement par les arrondissements spéciaux et par quelques-unes des villes les plus orientales de la préfecture,
- les collines de Tama et les monts Okutama à l’ouest, culminant au mont Kumotori à 2 017 m (limite avec les monts Okuchichibu), correspondant à la plupart des villes de la préfecture et au district rural de Nishitama,
- les îles de l’archipel de Nanpō (au sens large, comprenant les archipels d’Izu pour sa partie nord et d’Ogasawara pour sa partie sud) dans l’océan Pacifique, où se situent les quatre sous-préfectures.