Таллин находится в Северной Европе, на южном берегу Финского залива, в 80 километрах от Хельсинки. Географически и культурно Таллин является частью Северной Эстонии. Самое большое озеро Таллина — Юлемисте (площадь 9,6 км²). Это главный источник питьевой воды города. Озеро Харку — второе по величине (площадь — 1,6 км²). В отличие от многих больших городов, единственная значительная река в Таллине — Пирита — расположена далеко от центра города (сейчас — городской район Пирита). Бассейн реки находится под охраной из-за его живописности.

По территории города проходит известняковый уступ (Глинт, или Балтийско-Ладожский уступ). Он отчетливо прослеживается на Тоомпеа и в Ласнамяэ.

Наивысшая точка Таллина (64 метра над уровнем моря) находится на юго-западе города в районе Нымме.

Длина береговой линии — 46 километров. В пределах города она образует три больших полуострова: Копли, Пальяссааре и Какумяэ, четыре залива: Таллинский, Пальяссааре, Коплиский и Какумяэ.

Старый город (эст. Vanalinn) — старейшая часть Таллина, именно здесь появились первые поселения. Образует центральную часть района Кесклинн.

Старый город включен в список всемирного наследия ЮНЕСКО. От XI—XV века до наших дней сохранилась бо́льшая часть строений, сеть средневековых улиц и бо́льшая часть крепостной стены (одна из наиболее сохранившихся древних городских стен в Северной Европе) со всеми башнями и воротами. Башни носят частично восходящие к германоязычным названиям имена, связанные с их историей, местоположением и т.п.: самая знаменитая башня Кик-ин-де Кёк (смотри в кухню), Китсеторн (Козлиная, не сохранилась), Харью (у Харьюских ворот, не сохранилась), Ассауве, Карья (у Скотопрогонных ворот, не сохранилась), Луренбург (не сохранилась), Куради или Дувель (Чёртова, не сохранилась), Хинке, Вирусские ворота, Хеллеман, Мункадетагуне (башня за монахами), Вана Вене Кирикутагуне (башня за старой русской церковью), Бремен, Вяйке Раннавярав (малые морские ворота, не сохранились), Хатторпетагуне, Стольтинг, Пакс Маргарет (толстая Маргарита), Суур Раннавярав (Большие морские ворота), Вольфартдетагуне, Рентген (не сохранилась), Грусбекетагуне (вероятно, Большой булочник), Эппинг, Платее, Коисмяэ (башня на Верёвочном холме), Липпе, Лёвеншеде, Нуннадетагуне (башня за Монахинями), Кулдъялг (вероятно, Золотая нога), Сауна (Банная), Нунна (Монастырская), Нуннавярав (Монастырские ворота, не сохранились), Саунадетагуне (башня за баней), Сеегитагуне (башня за богадельней), Пикк ялг (Длинная нога), Люхике ялг (Короткая нога), Таллиторн (Конюшенная), Нейтситорн (Девичья башня) или Мегеде.
В Старом городе находятся построенная в 1404 году Таллинская ратуша, церковь Святого Николая, церковь Святого Олафа (Олевисте) (до конца XIX века — самое высокое здание мира), церковь Святого духа, Домский собор, Доминиканский монастырь, а также православный собор Александра Невского и церковь Николая Чудотворца.

Цитадель крепости — орденский замок Тоомпеа (эст. Toompea loss) XII—XIV веков, другое название — Вышгород (эст. Toompea), имел башни Ландскроне (Корона страны), Стюр-ден-Керл (Отрази врага, сейчас разрушена), Пильштикер (точильщик стрел), самая высокая — 48-метровая башня Пикк Херман («Длинный Герман») (эст. Pikk Hermann), возведённая в 1360—1370 годах. Флаг на вершине Длинного Германа является одним из символов Эстонии. В перестроенном замке Тоомпеа расположен парламент Эстонии Рийгикогу.

На Вышгороде также находится построенный в 1900 году собор Александра Невского.