İlçe Erzurum-Artvin karayolu üzerinde, Tortum çayı vadisinde kurulmuştur. Erzurum’a 84 km. mesafede olup, Doğu Anadolu Bölgesinin Doğu Karadeniz Bölgesiyle sınır teşkil ettiği bölgelerden birisidir. Doğuda Oltu, batıda İspir, kuzeyde Artvin ili Yusufeli ilçesi ve güneyde Tortum ilçesiyle sınırlıdır. İlçenin denizden yüksekliği 1050 metre, yüzölçümü 840 km²’dir. 6.625.000 m² büyüklüğündeki Tortum gölü ilçe sınırları dahilindedir. Gölün uzunluğu 10.800 metre ve genişliği 600-1000 metredir. Derinliği 40-50 metre olan gölün rakımı 1027 metredir. 22 metre genişliğinde ve 50 metre yüksekliğindeki Tortum Şelalesi ile çok sayıda küçük ölçekli göller yine ilçe içerisindedir. Oltu çayı ve İspir suyu ile birleşen Tortum çayı Çoruh adını alarak Karadeniz’e dökülür. İklim, genellikle Doğu Karadeniz Bölgesinin hakim iklimidir. Yağışlar genellikle ilkbahar ve sonbahar mevsimlerinde görülür. Ziyaret Tepe (2755 mt.), Tav Dağı (2244 mt.), Murat Tepe (2234 mt.), Kıllı Dağ (2530 mt.) Hergavur Dağı (2835 mt.), Ak Dağlar (3030 mt.) ve Mescit Sıradağları (3238 mt.) ilçenin en önemli yükseltileridir. Ormanlarda en çok sarıçam, meşe, ladin, ardıç, karaağaç, kavak ve ıhlamur bulunur.
Bölgede iklim, genellikle doğu karadeniz bölgesinin hakim iklimidir. Yağışlar genellikle ilkbahar ve sonbahar mevsimlerinde görülür. Vadi içlerindeki mikro klima iklim özelliği sayesinde ilçemizde narenciye üretimi dışında tüm sebze ve meyve üretimi yapılmaktadır. Havzada yıllık ortalama sıcaklık 8 c0 ortalama yağış 435 mm’dir.