La ville de Vatra Dornei est situé au coté du sud-ouest du département Suceava, dans le bassin Dornelor, ayant comme coordonnées géographiques : 47° 21′ latitude Nord et 25° 22′ longitude Ouest. Autour de la ville on trouve les communes comme suit : Pojorâta (au Nord), Iacobeni (au Nord-Ouest), Dorna Candrenilor (à l’Ouest), Șaru Dornei (au Sud) et Dorna-Arini (à l’Est).
La ville de Vatra Dornei est traversée par E58 (DN 17), route importante reliant la Bucovine et la Transylvanie. Les distances depuis Vatra Dornei vers les villes les plus proches sur cette route sont : 110 km jusqu’à la ville Suceava (le siège du département du même nom), 43 km jusqu’à la ville Câmpulung Moldovenesc, 84 km jusqu’à la ville Bistrita, 74 km jusqu’à la ville Gura Humorului et 66 km jusqu’à la ville Frasin.
Une autre route importante qui traverse la ville de Vatra Dornei est la route nationale DN 17B, qui assure la liaison avec le département Neamţ. Sur cette route, Vatra Dornei est située à 156 km de la ville Piatra Neamt, à 52 km de la ville Broşteni et à 130 km de la ville Bicaz.
La ville Vatra Dornei est reliée aux chemins de fer roumains par la voie ferroviaire Suceava – Vama – Floreni – Ilva Mica, traversant le centre-ville, où il y a deux stations de chemin de fer, à la distance de marche un de l’autre : la Gare Vatra Dornei (construite en 1902) et la Gare Vatra Dornei Băi (construite en 1910). L’aéroport le plus proche est celui de Suceava, situé à environ 120 km.
La ville Vatra Dornei a en administration trois localités, qui la composent : Argestru, Roșu et Todireni.