กรุงทาลลินน์ตั้งอยู่ริมชายฝั่งใต้ของอ่าวฟินแลนด์ ในภาคกลางตอนบนของประเทศเอสโตเนีย ทะเลสาบที่ใหญ่ที่สุดในกรุงทาลลินน์คือ ทะเลสาบอือเลมิสเต (Lake Ülemiste) (มีพื้นที่ 9.6 ตารางกิโลเมตร) ซึ่งเป็นแหล่งน้ำจืดหลักของเมืองที่ใช้ในการอุปโภคบริโภค ทะเลสาบฮาร์กู (Lake Harku) เป็นทะเลสาบแห่งที่ 2 ภายในเขตแดนของกรุงทาลลินน์ มีพื้นที่ 1.6 ตารางกิโลเมตร

จุดสูงสุดของกรุงทาลลินน์มีความสูง 64 เมตรจากระดับน้ำทะเล ตั้งอยู่ในเขต Nõmme ทางทิศตะวันตกเฉียงใต้ของเมือง

เมืองนี้ความยาวของชายฝั่งทะเล 46 กิโลเมตร ประกอบด้วย 3 คาบสมุทร คือ คาบสมุทรโคปลี (Kopli peninsula) คาบสมุทรปัลยัสซารี (Paljassaare peninsula) และคาบสมุทรคาคูเม (Kakumäe peninsula)