Tuwa liegt an der nordwestlichen Grenze der Mongolei bzw. der südlichen Grenze der Sowjetunion und ist eingerahmt von den Gebirgen Westlicher Sajan im Norden und Tannu-ola im Süden und dem Altai im Westen. Wichtigster Fluss ist der Jenissei, dessen zwei Quellflüsse in der Republik entspringen und sich bei Kysyl vereinigen.
Das Klima ist kontinental. Die Durchschnittstemperaturen im Januar betragen minus 45 °C bis minus 28 °C. Die durchschnittliche Temperatur im Juli beträgt um die 20 °C plus, oft sehr heiß bis um 30 °C herum. Es regnet sehr selten im Sommer und schneit nur wenig im Winter. Die Menge der Niederschläge ist unbedeutend: 200–300 mm (in den Gebirgen 400–600 mm) im Jahr. In Tuwa gibt es ca. 300 Sonnentage im Jahr.
Das Gebiet von Tuwa kann aufgeteilt werden in ein östliches gebirgiges und ein westliches flaches Territorium, eingerahmt von Westsajan und Tannu-ol. Die ebenen Steppen von Tuwa liegen auf 520–1200 m über NN. Der höchste Berg ist der Mongun-Taiga mit 3976 m über NN.
Es gibt etwa 6700 größere und kleinere Seen. Die meisten sind in der Todschinski-Senke.