Город расположен в живописной долине на юго-восточной части Цахкунийских гор на высоте около 1800 метров над уровнем моря. К северу и к югу от Цахкадзора простираются пологие горные гряды, частично покрытые лесом. Преобладающие высоты в окрестностях города — горы Техенис (2851 метров) и Цахкунятц (2820 метров). С запада на восток город Цахкадзор пересекает одноимённая река, впадающая в реку Мармарик