เทศบาลเมืองบ้านทุ่มตั้งอยู่ในอำเภอเมืองขอนแก่น จังหวัดขอนแก่น มีระยะห่างจากอำเภอเมืองขอนแก่นประมาณ 14 กิโลเมตร ไปทางทิศตะวันตกของถนนมะลิวัลย์ (ขอนแก่น–ชุมแพ) และมีสภาพทั่วไปเป็นพื้นที่ราบมีลำห้วยไหลผ่าน เป็นดินร่วนปนทราย มีอาณาเขตติดต่อกับองค์กรปกครองส่วนท้องถิ่นข้างเคียง ดังนี้

• ทิศเหนือ ติดต่อกับเทศาบาลตำบลสาวะถี และองค์การบริหารส่วนตำบลตำบลแดงใหญ่ อำเภอเมืองขอนแก่น
• ทิศใต้ ติดต่อกับองค์การบริหารส่วนตำบลบ้านหว้า อำเภอเมืองขอนแก่น
• ทิศตะวันออก ติดต่อกับเทศบาลตำบลบ้านเป็ด อำเภอเมืองขอนแก่น
• ทิศตะวันตก ติดต่อกับองค์การบริหารส่วนตำบลตำบลบ้านเหล่า และเทศบาลตำบลบ้านฝาง อำเภอบ้านฝาง