Das Stadtgebiet umfasst rund 31 Quadratkilometer und ist durch Hügel, Wälder und offene Landschaft geprägt. Im Norden grenzen die Fluren an Laucha und Hörselgau, im Westen an Schwarzhausen, im Süden an Tabarz und Friedrichroda mit Reinhardsbrunn und im Osten an Leina und Ernstroda.
Auch markante Erhebungen wie die Finstere Tanne, der Hermannstein oder der Wachkopf gehören zu Waltershausen und machen die Umgebung zu einem beliebten Ziel für Wanderer und Naturfreunde.
Zum Postleitzahlgebiet gehören folgende Ortschaften: Aspach, Fischbach, Fröttstädt, Hörselgau, Ibenhain, Langenhain, Laucha, Mechterstädt, Metebach, Schmerbach, Schnepfenthal, Schwarzhausen, Teutleben, Trügleben, Wahlwinkel, Waltershausen und Winterstein